1. 并发程序的基本概念

  • 程序顺序性

    • 内部顺序性:CPU严格按照顺序执行指令
    • 外部顺序性:程序员设计程序时往往用顺序设计的思想
  • 顺序程序特性
    • 程序执行的顺序性
    • 计算环境的封闭性: 程序执行时犹如独占资源
    • 计算结果的确定性
    • 计算过程的可再现性
  • 并发进程
    • 无关的并发进程:一组并发进程,在不同变量集上运行
    • 交往的并发进程:一组并发进程,共享某些变量,相互影响
  • 并发进程制约关系
    • 进程互斥:争夺某一个资源
    • 进程同步:共同完成某一个任务,协调先后顺序
    • 发生问题:
      • 与时间有关的错误:结果错误、永远等待
  • 临界区:
    • 临界资源:一次只能被一个进程使用的资源(互斥共享变量)
    • 临界区:是个程序段,是并发进程中与互斥共享变量相关的程序段
    • 相关的临界区:两个进程的临界区有相同的临界资源(必须互斥进入)
    • 问题
      • 多个并发进程访问临界资源存在制约关系
      • 如果两个进程同时处在相关的临界区,会发生与时间有关的错误
    • 临界区管理的要求
      • 一次至多允许一个进程停留在相关临界区
      • 一个进程不能无限制停留在临界区内
      • 一个进程不能无限制等待进入临界区内
    • 临界区嵌套使用

2. 并发程序控制和问题

  • 临界区管理实现:

    • 思路判断锁获取锁要作为原子操作,不然会死锁或时间错误
    • 实现
      • 原子指令:测试并建立锁指令、对换指令(忙式等待,效率不高)
      • 中断控制:进出临界区时开关中断,这样临界区执行时就不会被中断,自然实现了原子性
        • 这个时操作系统的原语,是操作系统解决这个问题的办法
        • 不建议用户程序使用,因为无法保证程序员设计出短小精悍的原语
      • PV操作:用信号量,“申请-等待队列-中断恢复”
    • 生产者消费者问题
  • 进程间通信
    • 信号量:低级通信方式
    • 信件:进程通信机制(直接通信、间接通信)
    • 基于流:多个进程共同使用一个缓冲区
    • RPC:远程过程调用
  • 死锁
    • 概念:两个进程分别等待对方占有的资源
    • 死锁的产生
      • 互斥:进程互斥地使用资源
      • 占有和等待:一个进程得不到资源,就等待且不释放已有资源
      • 不剥夺:进程不能从另一个进程抢走资源
      • 循环等待:每个进程都等待它前一个进程所持有的资源
    • 死锁的防止
      • 破坏上述四个条件之一即可
      • eg. 层次分配:资源分成多个层次,一个进程获得某个资源后只能获得比他层次更高的资源  
    • 死锁的避免:银行家算法
    • 死锁的检测
      • 算法:warshall闭包

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