《互斥同步與通信》課件

互斥、同步與通信操作系統(tǒng)中的兩個(gè)重要概念是進(jìn)程同步和進(jìn)程通信。本課件將探討如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥、同步以及不同進(jìn)程之間的通信機(jī)制。課程目標(biāo)掌握同步與異步概念了解并區(qū)分同步和異步編程模型,熟悉它們各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。理解互斥同步機(jī)制學(xué)習(xí)各種互斥同步機(jī)制,如信號(hào)量、管程等,掌握其定義、特性和操作方法。應(yīng)用線程同步與通信熟悉線程同步的方式,學(xué)會(huì)使用同步原語實(shí)現(xiàn)線程之間的協(xié)作和通信。掌握分布式同步技術(shù)了解分布式系統(tǒng)中的同步和一致性問題,學(xué)習(xí)相關(guān)的解決方案,如消息隊(duì)列、RPC和分布式鎖。同步與異步1同步操作同步操作是指依次執(zhí)行的線性過程，前一個(gè)操作必須完成才能開始下一個(gè)。2異步操作異步操作是指可以并行執(zhí)行的非線性過程，不需要等待前一個(gè)操作完成。3優(yōu)缺點(diǎn)比較同步操作簡單直觀但效率低下，異步操作復(fù)雜但能充分利用資源提高效率。互斥同步機(jī)制獨(dú)占訪問互斥同步機(jī)制確保資源在同一時(shí)間只能被一個(gè)進(jìn)程或線程所訪問,避免數(shù)據(jù)競爭和沖突。臨界區(qū)臨界區(qū)是指訪問共享資源的那部分代碼,必須被互斥同步機(jī)制嚴(yán)格控制。鎖機(jī)制常見的互斥同步機(jī)制包括互斥鎖、自旋鎖和信號(hào)量等,用于保護(hù)臨界區(qū)的安全訪問。避免死鎖合理設(shè)計(jì)臨界區(qū)并遵循加鎖順序可以有效避免死鎖等并發(fā)問題的發(fā)生。信號(hào)量定義信號(hào)量是一種用于管理并發(fā)訪問共享資源的計(jì)數(shù)器。它用于實(shí)現(xiàn)同步與互斥。操作信號(hào)量支持兩種基本操作:P(申請)和V(釋放)。這些操作可以實(shí)現(xiàn)線程的同步與互斥。應(yīng)用場景信號(hào)量廣泛應(yīng)用于解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題等并發(fā)編程問題。信號(hào)量的定義與特性信號(hào)量定義信號(hào)量是一種用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步的機(jī)制。它是一個(gè)非負(fù)整數(shù)變量,用于控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問。信號(hào)量特性信號(hào)量具有原子操作、可以阻塞進(jìn)程、可以實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)控制等特性,是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步的重要手段。信號(hào)量應(yīng)用信號(hào)量廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域,用于解決資源共享、臨界區(qū)控制、生產(chǎn)者-消費(fèi)者等問題。信號(hào)量的兩種操作1P操作也稱為等待或申請操作，用于請求資源。2V操作也稱為信號(hào)或釋放操作，用于歸還資源。3原子性P和V操作必須是原子的，不可被中斷。信號(hào)量提供了兩種基本操作:P操作和V操作。P操作用于申請資源,如果資源不可用則進(jìn)入等待狀態(tài)。V操作用于釋放資源,喚醒等待的進(jìn)程。這兩種操作必須是原子的,不可被中斷,保證了并發(fā)環(huán)境下的互斥同步。生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題1生產(chǎn)者不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)資源2緩沖區(qū)存儲(chǔ)生產(chǎn)者生產(chǎn)的數(shù)據(jù)3消費(fèi)者從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是一個(gè)典型的同步與互斥問題。生產(chǎn)者不斷生產(chǎn)數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū),消費(fèi)者從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了防止生產(chǎn)者寫入緩沖區(qū)時(shí)消費(fèi)者讀取,或者消費(fèi)者讀取緩沖區(qū)時(shí)生產(chǎn)者寫入,需要采用同步與互斥機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)。管程管程定義管程是一種用于實(shí)現(xiàn)并發(fā)程序中同步機(jī)制的軟件抽象概念。它提供了一種方法來控制對(duì)共享資源的訪問。管程特性管程擁有一個(gè)或多個(gè)條件變量和一個(gè)互斥鎖,用于確保對(duì)共享資源的原子訪問和互斥執(zhí)行。管程操作管程提供了wait()和signal()兩種基本操作,用于在條件變量上進(jìn)行線程的掛起和喚醒。管程的定義與特性定義管程是一種同步機(jī)制,它通過互斥和條件變量來協(xié)調(diào)并發(fā)訪問共享資源的線程。封裝性管程將共享資源和操作它們的代碼封裝在一起,提高了程序的模塊化和可維護(hù)性。原子性管程內(nèi)的操作是原子性的,可以確保線程安全地訪問共享資源。等待條件管程使用條件變量來表示特定的等待條件,線程可以等待這些條件被滿足。管程的操作1進(jìn)入管程進(jìn)入管程前，進(jìn)程必須先獲取管程的鎖定。只有獲取到鎖定后，進(jìn)程才能執(zhí)行管程中的操作。2條件變量操作進(jìn)程在管程中可以使用條件變量進(jìn)行等待和喚醒操作,以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和協(xié)作。3退出管程進(jìn)程在完成管程中的操作后,需要釋放管程的鎖定,以允許其他進(jìn)程進(jìn)入管程執(zhí)行。哲學(xué)家進(jìn)餐問題哲學(xué)家陷入死鎖五位哲學(xué)家圍坐在一張圓桌上,共用著五支叉子。每個(gè)哲學(xué)家在吃飯時(shí)都需要占用兩支叉子,但他們?nèi)枷胪瑫r(shí)拿起相鄰的叉子,導(dǎo)致陷入死鎖。解決方案引入一些規(guī)則,限制哲學(xué)家同時(shí)拿起兩支叉子的行為,避免死鎖的發(fā)生。比如設(shè)置一個(gè)管程來協(xié)調(diào)哲學(xué)家的行為。管程的工作原理管程內(nèi)設(shè)置一個(gè)互斥鎖,每次只允許一個(gè)哲學(xué)家進(jìn)入。哲學(xué)家申請叉子時(shí),如果被拒絕就進(jìn)入等待隊(duì)列,直到獲得許可。防止活鎖為了避免活鎖,可以給每個(gè)哲學(xué)家一個(gè)編號(hào),按照編號(hào)順序依次獲取叉子。這樣可以確保至少有一個(gè)哲學(xué)家成功就餐。讀者-寫者問題1讀者優(yōu)先在讀者-寫者問題中,讀者優(yōu)先是一種常見的解決方案。它確保多個(gè)讀者可以同時(shí)訪問共享資源,而不會(huì)相互干擾。2寫者獨(dú)占當(dāng)有寫者需要訪問共享資源時(shí),它們會(huì)被給予獨(dú)占訪問權(quán),以確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。3讀者-寫者鎖讀者-寫者鎖是一種同步機(jī)制,它允許多個(gè)讀者同時(shí)訪問共享資源,但只有一個(gè)寫者可以訪問。這可以提高資源的利用率。線程同步與通信1同步機(jī)制通過共享變量、信號(hào)量和管程等同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)線程間的協(xié)調(diào)和互斥。2通信方式線程間可以通過共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、管道等方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。3阻塞與喚醒線程在等待共享資源或通信信號(hào)時(shí)可能會(huì)被阻塞,需要通過特定的同步機(jī)制喚醒。4協(xié)調(diào)與控制合理使用同步機(jī)制可以有效地協(xié)調(diào)線程行為,避免死鎖和競態(tài)條件等問題。線程的同步方式互斥鎖互斥鎖可確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問共享資源。線程在獲取鎖之前必須等待，從而實(shí)現(xiàn)了線程間的有序訪問。條件變量條件變量可以讓線程在某個(gè)特定條件滿足時(shí)被喚醒。線程可以通過條件變量進(jìn)行有效的等待和通知。信號(hào)量信號(hào)量是一個(gè)整數(shù)計(jì)數(shù)器,可用于限制同時(shí)訪問某個(gè)特定資源的線程數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨界資源的有效控制。屏障屏障可以讓一組線程在達(dá)到某個(gè)共同點(diǎn)時(shí)阻塞,直到所有線程都到達(dá)了這個(gè)點(diǎn),才繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)操作。同步原語的使用互斥鎖用于保護(hù)共享資源,確保同時(shí)只有一個(gè)線程訪問資源。信號(hào)量用于限制同時(shí)訪問共享資源的線程數(shù)量,可用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型。條件變量用于線程之間的通信,一個(gè)線程等待某個(gè)條件成立時(shí)被喚醒。自旋鎖輕量級(jí)的鎖機(jī)制,適用于競爭不激烈的場景,減少線程切換開銷。信號(hào)量與管程的應(yīng)用信號(hào)量的應(yīng)用信號(hào)量可用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程/線程的同步和互斥。它可以解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題等經(jīng)典并發(fā)問題。管程的應(yīng)用管程封裝了共享資源的訪問控制邏輯,可以有效地解決并發(fā)編程中的安全性和活躍性問題。它被廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。信號(hào)量與管程的結(jié)合在實(shí)際系統(tǒng)中,信號(hào)量和管程通常會(huì)結(jié)合使用,發(fā)揮各自的優(yōu)勢。管程用于資源管理,信號(hào)量用于進(jìn)程/線程同步。這樣可以實(shí)現(xiàn)更加靈活和高效的并發(fā)控制。消息隊(duì)列消息隊(duì)列架構(gòu)消息隊(duì)列是一種異步通信機(jī)制,由生產(chǎn)者、消費(fèi)者和消息代理三部分組成,提供可靠、有序的消息傳輸。消息隊(duì)列操作消息生產(chǎn)者將消息發(fā)送到消息隊(duì)列,消費(fèi)者從消息隊(duì)列中獲取消息并處理。消息代理負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)消息。消息隊(duì)列應(yīng)用消息隊(duì)列廣泛應(yīng)用于解耦系統(tǒng)、異步通信、流量削峰等場景,提高系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。消息隊(duì)列的特性1異步通信消息隊(duì)列允許應(yīng)用程序異步地交換數(shù)據(jù),提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性。2緩沖機(jī)制消息隊(duì)列提供了一個(gè)緩沖區(qū)來存儲(chǔ)消息,使發(fā)送方和接收方的處理速度不必完全一致。3解耦設(shè)計(jì)消息隊(duì)列將發(fā)送方和接收方解耦,使系統(tǒng)更易于擴(kuò)展和維護(hù)。4可靠性保證消息隊(duì)列能夠提供消息的持久化、重復(fù)消費(fèi)以及事務(wù)性保證。消息隊(duì)列的操作1發(fā)送消息向消息隊(duì)列發(fā)送消息2接收消息從消息隊(duì)列中獲取消息3消息處理對(duì)收到的消息進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理4消息確認(rèn)確認(rèn)消息已經(jīng)被成功處理消息隊(duì)列的操作主要包括發(fā)送消息、接收消息、處理消息和確認(rèn)消息。發(fā)送消息時(shí)將數(shù)據(jù)推送到消息隊(duì)列中。接收消息時(shí)從消息隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理。最后需要確認(rèn)消息已經(jīng)被成功處理。整個(gè)過程確保了消息的可靠傳遞和高效處理。消息訂閱與發(fā)布消息訂閱訂閱者向消息隊(duì)列系統(tǒng)聲明自己對(duì)某些主題感興趣,系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)消息推送給訂閱者。這種訂閱-發(fā)布模式提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。消息發(fā)布生產(chǎn)者將消息發(fā)布到消息隊(duì)列中,不需要關(guān)心誰來訂閱這些消息。發(fā)布者和訂閱者之間解耦,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。實(shí)時(shí)通信消息訂閱與發(fā)布系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)的消息推送,適用于聊天應(yīng)用、推送通知等實(shí)時(shí)通信場景。高擴(kuò)展性無需修改訂閱者或發(fā)布者的代碼,只需要增加新的訂閱者即可擴(kuò)展系統(tǒng),體現(xiàn)了高度的解耦性。遠(yuǎn)程過程調(diào)用通信機(jī)制遠(yuǎn)程過程調(diào)用是一種基于網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制,允許客戶端程序調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器上的方法或函數(shù)。透明性遠(yuǎn)程過程調(diào)用對(duì)于客戶端來說是透明的,隱藏了網(wǎng)絡(luò)通信的細(xì)節(jié)。同步性遠(yuǎn)程過程調(diào)用通常是同步的,客戶端需要等待服務(wù)器響應(yīng)才能繼續(xù)執(zhí)行。分布式遠(yuǎn)程過程調(diào)用適用于分布式系統(tǒng),將功能劃分到不同的服務(wù)器上。RPC的工作原理1請求發(fā)起客戶端將請求參數(shù)打包成標(biāo)準(zhǔn)格式,通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)端。2請求處理服務(wù)端接收到請求后,解析參數(shù)并調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序進(jìn)行處理。3結(jié)果返回服務(wù)端處理完成后,將結(jié)果重新打包成標(biāo)準(zhǔn)格式返回給客戶端。4結(jié)果解析客戶端收到結(jié)果后,解析并提取所需信息,完成整個(gè)調(diào)用過程。RPC的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)RPC提供了一種簡單直接的調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)的方式,隱藏了底層網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜性。對(duì)開發(fā)人員來說,使用RPC就像調(diào)用本地函數(shù)一樣自然。缺點(diǎn)RPC需要服務(wù)發(fā)現(xiàn)和遠(yuǎn)程連接,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)RPC容易受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響,可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)用超時(shí)或失敗的情況。分布式鎖鎖定資源分布式鎖可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中協(xié)調(diào)對(duì)共享資源的訪問,確保同一時(shí)間只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以訪問。選舉算法分布式鎖通常使用諸如Zookeeper、Redis或數(shù)據(jù)庫等工具來實(shí)現(xiàn),利用選舉算法來保證一致性。容錯(cuò)機(jī)制分布式鎖需要考慮節(jié)點(diǎn)故障或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等情況,提供可靠的容錯(cuò)機(jī)制來確保數(shù)據(jù)一致性。分布式鎖的實(shí)現(xiàn)1基于數(shù)據(jù)庫使用數(shù)據(jù)庫表的行級(jí)鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布式鎖2基于Redis利用Redis的原子性操作實(shí)現(xiàn)分布式鎖3基于ZooKeeper利用ZooKeeper的臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式鎖分布式鎖的實(shí)現(xiàn)有多種方式,常見的包括基于數(shù)據(jù)庫、Redis和ZooKeeper。其中,數(shù)據(jù)庫鎖利用行級(jí)鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn);Redis鎖利用其原子性操作特性;ZooKeeper鎖則利用臨時(shí)有序節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。選擇何種實(shí)現(xiàn)方式需要根據(jù)具體場景和系統(tǒng)架構(gòu)來權(quán)衡。分布式一致性一致性模型不同的一致性模型,如強(qiáng)一致性、弱一致性、最終一致性等,根據(jù)應(yīng)用場景的需求來選擇合適的一致性模型。一致性協(xié)議Paxos、Raft等一致性協(xié)議通過投票機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在分布式系統(tǒng)中的一致性。CAP定理CAP定理指出,分布式系統(tǒng)無法同時(shí)滿足一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分區(qū)容忍性(PartitionTolerance)三個(gè)特性。BASE原則基于BASE原則的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì),以最終一致性為目標(biāo),在可用性和分區(qū)容忍性之間進(jìn)行權(quán)衡。一致性模型強(qiáng)一致性讀取保證返回最新寫入的值,提供最高的一致性保證,但可能會(huì)犧牲可用性和分區(qū)容忍性。最終一致性系統(tǒng)最終會(huì)收斂到一個(gè)一致的狀態(tài),提高可用性和分區(qū)容忍性,但可能在某些時(shí)間點(diǎn)存在數(shù)據(jù)不一致。有序一致性保證對(duì)于單個(gè)對(duì)象的讀寫操作按照程序順序執(zhí)行,但無法保證多個(gè)對(duì)象之間的全局有序性。一致性協(xié)議Paxos協(xié)議Paxos協(xié)議是一種分布式一致性算法,能夠在存在故障的情況下保證系統(tǒng)的一致性和可用性。Raft協(xié)議Raft協(xié)議是一種更容易理解的一致性算法,它簡化了Paxos的復(fù)雜性,提高了系統(tǒng)的可靠性。ZAB協(xié)議ZAB協(xié)議是ZooKeepe