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并发处理可能带来哪三类问题,并发处理的几种机制是什么

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《并发处理机制:应对并发问题的策略全解析》

在计算机系统中,并发处理是指多个任务或进程同时执行的情况,并发处理可能会带来以下三类问题:竞态条件、死锁和资源饥饿,为了解决这些问题,存在着几种并发处理机制。

一、竞态条件及其应对机制

竞态条件是指多个进程或者线程对共享数据进行读写操作时,由于执行顺序的不确定性而导致结果的不可预测性,两个线程同时对一个计数器进行加1操作,如果没有适当的并发控制,最终的结果可能会小于预期的加2。

1、互斥锁(Mutex)

- 互斥锁是一种最基本的并发控制机制,它的原理是在访问共享资源之前,线程必须先获取互斥锁,一旦一个线程获取了互斥锁,其他试图获取该锁的线程就会被阻塞,直到持有锁的线程释放锁。

- 在一个多线程的文件写入程序中,当一个线程正在写入文件时,它获取互斥锁,其他线程如果也想写入该文件,就必须等待这个线程释放锁,这样就保证了在同一时刻只有一个线程能够对文件进行写入操作,避免了数据的混乱。

2、信号量(Semaphore)

- 信号量是一个整型变量,可以用来控制对一组资源的访问,它有两个主要操作:P操作(等待操作)和V操作(信号操作)。

- 假设我们有一个资源池,其中包含有限数量的资源,信号量的初始值可以设置为资源池中的资源数量,当一个线程想要使用资源时,它执行P操作,如果信号量的值大于0,就将信号量的值减1并继续执行;如果信号量的值为0,则线程被阻塞,当一个线程释放资源时,它执行V操作,将信号量的值加1,从而可能唤醒被阻塞的线程。

二、死锁及其应对机制

死锁是指两个或多个进程在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去,进程A持有资源R1并等待资源R2,而进程B持有资源R2并等待资源R1。

1、死锁预防

- 资源有序分配:要求系统中的所有资源都按照某种顺序进行编号,每个进程只能按照递增的顺序请求资源,这样可以避免循环等待的情况,在一个数据库系统中,如果有表资源和索引资源,规定先请求表资源,再请求索引资源,并且所有进程都遵循这个规则,就可以防止死锁。

- 破坏占有且等待条件:进程在开始执行前必须一次性申请它所需要的所有资源,而不是在执行过程中逐步申请,这样就不会出现进程持有部分资源并等待其他资源的情况。

2、死锁检测与恢复

- 死锁检测算法:通过构建资源分配图等方式,定期检查系统中是否存在死锁,银行家算法可以通过分析系统中每个进程的资源需求、已分配资源和系统可用资源来判断是否存在死锁的可能性。

- 一旦检测到死锁,可以采用多种恢复策略,如资源剥夺,即从一些进程中强行剥夺足够数量的资源给死锁进程,以解除死锁状态;或者终止进程,选择一些死锁进程并终止它们,释放它们占用的资源。

三、资源饥饿及其应对机制

资源饥饿是指一个或多个进程由于长期得不到所需的资源而无法继续执行的情况,在一个多线程的任务调度系统中,如果高优先级的线程不断地抢占低优先级线程所需的资源,低优先级线程就可能会遭受资源饥饿。

1、公平调度算法

- 轮转调度(Round - Robin):在多任务操作系统中,每个进程或线程按照固定的时间片轮流执行,在一个多线程的服务器应用中,每个线程都能在固定的时间间隔内获得CPU资源,避免了某个线程长期占用CPU而导致其他线程饥饿的情况。

- 优先级继承:当一个低优先级的进程持有高优先级进程所需的资源时,低优先级进程暂时继承高优先级进程的优先级,以尽快完成对资源的使用并释放资源,防止高优先级进程饥饿。

2、资源分配限制

- 限制每个进程或线程对资源的最大需求量,在一个内存分配系统中,规定每个进程最多只能申请一定比例的系统内存,防止某个进程过度占用内存资源,导致其他进程无法获得足够的内存而饥饿。

并发处理机制的目的是为了在充分利用系统资源的同时,有效地解决并发带来的竞态条件、死锁和资源饥饿等问题,从而提高系统的稳定性、可靠性和性能,不同的机制在不同的应用场景下各有优劣,需要根据具体的需求进行选择和组合。

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