《互斥與同步》課件

互斥與同步操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵概念之一。主要用于解決多個進程或線程訪問共享資源的沖突問題。課程介紹本課程介紹同步與互斥是操作系統(tǒng)中的重要概念，在本課程中，我們將深入探討其原理、應(yīng)用場景以及實現(xiàn)機制。學(xué)習(xí)目標通過本課程，您將掌握同步與互斥的原理，并能夠運用相關(guān)知識解決實際問題，提升您的編程能力。課程內(nèi)容課程涵蓋了同步與互斥的核心概念，包括臨界區(qū)、信號量、管程、死鎖等，并通過案例分析來加深理解。什么是互斥共享資源多個進程或線程可能需要訪問相同的資源。沖突訪問多個進程或線程同時訪問共享資源會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯誤?；コ庠L問互斥是指在任何時刻，只有一個進程或線程可以訪問共享資源，以確保數(shù)據(jù)的完整性?；コ獾膽?yīng)用場景互斥機制在計算機科學(xué)中至關(guān)重要，它確保多個線程或進程在訪問共享資源時不會相互干擾。在現(xiàn)實世界中，互斥的應(yīng)用場景廣泛，例如銀行賬戶的存取、共享打印機、多用戶編輯文檔等。例如，在銀行系統(tǒng)中，多個用戶可能同時嘗試訪問同一個賬戶。如果沒有互斥機制，多個用戶可能會同時進行存款或取款操作，導(dǎo)致賬戶余額出現(xiàn)錯誤?；コ鈾C制可以確保每次只有一個用戶可以訪問該賬戶，從而保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。臨界區(qū)與資源共享臨界區(qū)多線程程序中，訪問共享資源的代碼段被稱為臨界區(qū)。資源共享多個線程需要訪問相同的資源，例如全局變量，文件等?；コ庠L問確保在同一時間只有一個線程可以訪問臨界區(qū)，防止數(shù)據(jù)沖突。進程與線程進程進程是程序的一次執(zhí)行過程，擁有獨立的內(nèi)存空間。進程是資源分配的最小單位。線程線程是進程的子任務(wù)，共享進程的內(nèi)存空間。線程是CPU調(diào)度的最小單位，可以更細粒度地分配資源。臨界區(qū)的訪問1訪問臨界區(qū)進程請求進入臨界區(qū)2測試檢查臨界區(qū)是否被占用3進入進入臨界區(qū)，執(zhí)行任務(wù)4離開完成任務(wù)，離開臨界區(qū)競爭狀態(tài)與臨界區(qū)1競爭狀態(tài)多個進程或線程同時訪問共享資源，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯誤結(jié)果。2臨界區(qū)共享資源的代碼段，需要確保一次只有一個進程或線程進入該代碼段執(zhí)行。3臨界區(qū)訪問必須采用互斥機制來控制對臨界區(qū)的訪問，以保證數(shù)據(jù)的一致性。4關(guān)鍵區(qū)域臨界區(qū)是保護共享資源的機制，它是一種重要的同步機制，用于解決競爭狀態(tài)問題。同步機制概述協(xié)調(diào)進程同步機制是一種重要的工具，它可以確保多個進程或線程之間進行協(xié)同工作。共享資源同步機制允許進程或線程安全地訪問共享資源，防止數(shù)據(jù)不一致或沖突。常見機制常用的同步機制包括信號量、管程、自旋鎖、睡眠鎖等，它們提供了不同的同步策略。信號量機制信號量概念信號量是一種用于同步進程的機制。它是一個整數(shù)變量，用于控制對共享資源的訪問。信號量操作信號量提供兩種操作：等待（P）和信號（V），用于控制進程之間的同步關(guān)系。信號量應(yīng)用信號量廣泛應(yīng)用于各種同步問題，如生產(chǎn)者-消費者問題、讀者-寫者問題等。信號量的操作信號量初始化信號量需要初始化，為其分配一個初始值，并設(shè)置等待隊列。信號量等待如果信號量值大于零，則減一，否則阻塞等待，直到信號量值大于零。信號量發(fā)出如果信號量值小于或等于零，則喚醒一個等待線程，否則將信號量值加一。生產(chǎn)者-消費者問題1生產(chǎn)者生產(chǎn)者負責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)中。2緩沖區(qū)緩沖區(qū)用于存儲生產(chǎn)者創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，消費者可以從中讀取數(shù)據(jù)。3消費者消費者從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)并進行處理。管程機制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含共享數(shù)據(jù)和操作共享數(shù)據(jù)的過程。同步操作確保一次只有一個進程可以訪問共享數(shù)據(jù)。條件變量用于進程間的同步和通信。優(yōu)點簡化并發(fā)編程，提高代碼可讀性和可維護性。管程的定義與操作管程機制管程是一種高級同步機制，用于管理共享資源的訪問。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管程包含共享數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的過程。互斥訪問一次只能有一個進程進入管程，確保對共享數(shù)據(jù)的互斥訪問。等待隊列當(dāng)一個進程需要訪問共享數(shù)據(jù)時，它可能需要等待，直到數(shù)據(jù)可用。哲學(xué)家就餐問題哲學(xué)家就餐問題是經(jīng)典的同步問題。五個哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，桌上放著五根筷子，每根筷子位于兩個哲學(xué)家之間。每個哲學(xué)家需要兩根筷子才能吃飯，但他們只有一個選擇，只能拿起自己面前的筷子。如果所有哲學(xué)家同時拿起自己左側(cè)的筷子，那么沒有人可以拿到右側(cè)的筷子，就會造成死鎖。讀者-寫者問題多個讀者可以同時訪問共享數(shù)據(jù)，但寫者必須獨占訪問。讀寫操作交替進行，要保證數(shù)據(jù)一致性。讀者優(yōu)先策略讓讀者可以立即開始讀取，寫者需要等待所有讀者完成。寫者優(yōu)先策略讓寫者優(yōu)先獲取資源，讀者需要等待寫者完成。讀者優(yōu)先還是寫者優(yōu)先讀者優(yōu)先多個讀者可以同時訪問共享數(shù)據(jù)。寫者必須等待所有讀者完成讀操作后才能寫入數(shù)據(jù)。這確保了讀者始終能夠訪問最新的數(shù)據(jù)，但可能導(dǎo)致寫者延遲。寫者優(yōu)先只有一個寫者可以訪問共享數(shù)據(jù)，其他寫者和讀者必須等待。這確保了寫入數(shù)據(jù)不會被其他操作中斷，但可能導(dǎo)致讀者延遲。忙等待與睡眠喚醒忙等待進程不斷地循環(huán)檢查共享資源是否可用。進程消耗CPU資源，降低系統(tǒng)效率。睡眠喚醒進程進入睡眠狀態(tài)，等待被喚醒。節(jié)省CPU資源，提高系統(tǒng)效率。自旋鎖與睡眠鎖自旋鎖不斷循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)，直到獲得鎖。適用于鎖占用時間短的場景。效率高，但消耗CPU資源。睡眠鎖線程阻塞，進入睡眠狀態(tài)，等待鎖可用。適用于鎖占用時間長的場景。節(jié)約CPU資源，但效率相對較低。死鎖概述資源競爭多個進程同時請求同一資源時，可能發(fā)生死鎖。循環(huán)等待進程間相互等待對方釋放資源，形成循環(huán)等待，導(dǎo)致死鎖。系統(tǒng)資源不足系統(tǒng)資源有限，進程無法獲得所需資源，導(dǎo)致死鎖。不合理的資源分配順序進程獲得資源的順序不合理，導(dǎo)致死鎖。死鎖的四個必要條件死鎖是多個進程或線程相互等待對方所持有的資源而導(dǎo)致的一種狀態(tài)，從而導(dǎo)致所有進程都無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的發(fā)生需要滿足四個必要條件：互斥條件（MutualExclusion）：資源在同一時間只能被一個進程使用。占有并等待條件（HoldandWait）：進程已經(jīng)獲得了某些資源，但又請求新的資源而被阻塞，同時繼續(xù)持有已獲得的資源。不可剝奪條件（NoPreemption）：進程已經(jīng)獲得的資源在未完成使用之前不能被其他進程強行奪取。循環(huán)等待條件（CircularWait）：存在一個閉環(huán)的進程等待序列，每個進程都等待下一個進程所持有的資源。當(dāng)這四個條件同時滿足時，就會發(fā)生死鎖。為了避免死鎖，可以打破這四個條件中的一個或多個。死鎖的預(yù)防與避免死鎖預(yù)防通過破壞死鎖發(fā)生的必要條件，可以防止死鎖的發(fā)生。死鎖避免在資源分配過程中，動態(tài)地檢查系統(tǒng)狀態(tài)，確保不會進入死鎖狀態(tài)。資源分配策略采取合理的資源分配策略，例如，先請求所有資源，再開始執(zhí)行。銀行家算法銀行家算法是一種用于資源分配的算法，它可以防止死鎖發(fā)生。它基于一個假設(shè)：系統(tǒng)中的資源總量是有限的，并且每個進程都需要一定數(shù)量的資源來完成其工作。1安全狀態(tài)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，意味著可以按順序分配資源給每個進程，直到每個進程完成其工作。2安全序列安全狀態(tài)可以由一個安全序列表示，該序列包含所有進程的順序。3資源分配圖資源分配圖用來描述系統(tǒng)中資源和進程之間的關(guān)系。4銀行家算法根據(jù)安全狀態(tài)的定義，銀行家算法可以在分配資源之前判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)。通過使用銀行家算法，可以確保系統(tǒng)不會因為資源分配不當(dāng)而導(dǎo)致死鎖。資源分配圖資源分配圖是一種直觀的圖形表示，用于展示操作系統(tǒng)中各個進程對資源的申請和持有狀態(tài)。圖中包含進程節(jié)點和資源節(jié)點，箭頭表示進程對資源的請求和持有關(guān)系。通過分析資源分配圖，可以識別系統(tǒng)中潛在的死鎖風(fēng)險，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。安全序列與死鎖預(yù)防1安全序列安全序列是指一個進程序列，其中每個進程都能按照其需求順序獲得所需的資源，最終完成執(zhí)行。安全序列的存在意味著系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，不會發(fā)生死鎖。2死鎖預(yù)防死鎖預(yù)防是指通過限制資源的分配方式來避免死鎖的發(fā)生，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。3資源分配策略可以采用一些資源分配策略，例如銀行家算法，來確保系統(tǒng)資源分配的安全，從而預(yù)防死鎖的發(fā)生。死鎖的檢測與解決死鎖檢測是一種事后補救措施，用于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)生的死鎖。通過檢測算法，系統(tǒng)可以識別出處于死鎖狀態(tài)的進程，并采取措施來解除死鎖。1資源分配圖用于可視化資源和進程之間的分配關(guān)系，以便識別死鎖。2死鎖檢測算法通過分析資源分配圖，識別出循環(huán)等待關(guān)系，以確定死鎖。3死鎖解除包括搶占、回滾、終止進程等方法，以解除死鎖并恢復(fù)系統(tǒng)運行。總結(jié)與展望同步與互斥的精髓深入理解同步與互斥機制是構(gòu)建可靠、高效并發(fā)程序的關(guān)鍵。掌握了這些概念，您將能更有效地處理共享資源的訪問和協(xié)調(diào)問題，提升軟件質(zhì)量。未來的發(fā)展方向隨著多核處理器和云計算的普及，并發(fā)編程的應(yīng)用將日益廣泛。面向未來的研究方向包括分布式同步、并行算法優(yōu)化、以及更智能的資源管理機制。課后思考互斥與同步你是否可以舉出更多互斥與同步的實際例子？