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  • 并发进程

    千次阅读 热门讨论 2014-02-10 20:58:24
     首先是与时间有关的问题,因为临界区中的共享变量运行多个进程访问,造成了与时间有关的 问题,为了解决这个问题,引入了PV操作用来实现对临界区的 管理。同时,PV操作也可以解决进程的互斥和同步的

      多道程序设计提高了处理器的利用率,但是也带来了一些制约问题,比如,一个进程的执行有时要受另一个进程的制约。同时执行的程序形成了并发的进程。

       并发的进程带来了很多问题,但是,也有很多方法可以解决。

      首先是与时间有关的问题,因为临界区中的共享变量运行多个进程访问,造成了与时间有关的 问题,为了解决这个问题,引入了PV操作用来实现对临界区的 管理。同时,PV操作也可以解决进程的互斥和同步的问题。

        虽然PV操作有这么多的好处,但是还是有缺点的。

        在进行进程间的大量信息交换时,就要采用进程通信来替代低级的PV操作了。

        PV操作的另一个小漏洞就是没有考虑到可能产生死锁的问题,对于死锁问题,就要专门针对破坏产生死锁的4个条件来避免和防止死锁,采用设置两张记录进程使用和等待资源的情况来检查死锁。



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  • Java并发核心:解决共享资源竞争

    千次阅读 2018-09-16 22:11:45
    一个线程就是在进程中的一个单一的顺序控制流,因此单个进程可以拥有多个并发执行的任务。 实现并发最直接的方式是操作系统级别使用进程进程是运行它自己的地址空间内的自包容的程序; 而实现并发变成最大...

    并发编程使我们将程序划分为多个分离的、独立运行的任务。 通过使用多线程机制,这些独立运行的任务(也被称为子任务)中的每一个都由一个执行线程来驱动。 一个线程就是在进程中的一个单一的顺序控制流,因此单个进程可以拥有多个并发执行的任务。

    实现并发最直接的方式是在操作系统级别使用进程; 进程是运行在它自己的地址空间内的自包容的程序; 而实现并发变成最大的困难是如何协调不同线程驱动的任务之间对这些资源的访问,以使得这些资源不会同时被多个任务访问

    并发的多面性

    使用并发编程时需要解决的问题有多个,而实现并发的方式也有多种,并且在这两者之间没有明显的映射关系。

    用并发解决的问题基本上可分为“速度”和“设计可管理性”两种。

    阻塞的定义:

    程序中的某个任务因为该程序控制范围之外的某些条件(通常是I/O)而导致不能继续运行,那么我们就说这个任务阻塞了

    两种线程的调度模式:

    抢占式调度:

    抢占式调度指的是每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制,系统控制指的是在系统某种运行机制下,可能每条线程都分同样的执行时间片,也可能是某些线程执行的时间片较长,甚至某些线程得不到执行的时间片。在这种机制下,一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。

    协同式调度:

    协同式调度指某一线程执行完后主动通知系统切换到另一线程上执行,这种模式就像接力赛一样,一个人跑完自己的路程就把接力棒交接给下一个人,下个人继续往下跑。线程的执行时间由线程本身控制,线程切换可以预知,不存在多线程同步问题,但它有一个致命弱点:如果一个线程编写有问题,运行到一半就一直堵塞,那么可能导致整个系统崩溃。

    线程让步:

    给线程调度器一个暗示: 你的工作已经差不多了,可以让出CPU给别的线程了。 这个暗示通过yield()方法来作出(不过这是暗示,没有任何机制会保证它将会被采纳)。

    核心问题:解决共享资源竞争

    对于并发工作,你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源,至少在关键时候不会出现这种情况 也就是Brain的同步规则: 如果你正在写一个变量,他可能接下来将被另一个线程读取,或者正在读取一个上一次已经被另一个线程改写过的变量,那么你必须使用同步,并且,读写线程都必须使用相同的监视器锁同步。一般采用下面两种解决办法:

    1.同步控制

    java 一般用synchronized关键字的形式来防止资源冲突 ; 当任务执行到被synchronized关键字保护的代码片段的时候,它将检查锁是否可用,然后获取锁,执行代码,释放锁

    临界区
    synchronized可以用于域,也可以用于对象,被用于对象的锁是对花括号内的代码进行同步控制,synchronized(syncobject){

    }
    ,这也被称为同步代码块;在进入此段代码前,必须先获得synObject对象的锁。通过这种方式分离出来的代码被称为临界区。通过使用同步代码块,而不是对整个方法进行同步控制,可以使多个任务同时访问对象的时间性能得到显著的提高。
    基本上所有的并发模式在解决线程冲突问题的时候,都是采用序列化访问共享资源的方案。也就意味着在给定时刻只允许一个任务访问资源。 通常这是通过在代码前面加上一条锁语句来实现的。 因为锁语句产生了一种互相排斥的效果,所以这称为互斥量。

    /**
     * 
     */
    package threads;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    class Car{
    	private boolean waxOn = false;
    	public synchronized void Wax(){
    		waxOn = true;
    		notifyAll();
    	}
    	
    	public synchronized void Polishing() {
    		waxOn = false;
    		notifyAll();
    	}
    	
    	public synchronized void waitWax() throws InterruptedException {
    		while(waxOn == false)               //可能有多个任务处于同一个原因在等待一个锁,而第一个唤醒这个锁的可能会改变这个
    			wait();                         //在这个任务从其wait状态唤醒时,有可能别的任务做出来改变,从而使得这个任务不能执行
    	}
    	
    	public synchronized void waitPolishing() throws InterruptedException {
    		while(waxOn == true)                 //最关键的任务就是检查其所感兴趣的特定条件,并在条件不满足的情况下返回到wait中
    			wait();
    	}
    }
    
    class WaxOn implements Runnable{
    	private Car car;
    	public WaxOn(Car c) {
    		car = c;
    	}
    	public void run() {
    		try {
    			while(!Thread.interrupted()) {
    			    System.out.println("Waxing!");
    				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
    			    car.Wax();
    			    car.waitPolishing();
    			}
    		}catch(InterruptedException e) {
    			System.out.println("Exiting via interrupt");
    		}
    		System.out.println("Wax Over!");
    	}
    }
    
    class WaxOff implements Runnable{
    	private Car car;
    	public WaxOff(Car c) {
    		car = c;
    	}
    	
    	public void run() {
    		try {
    			while(!Thread.interrupted()) {
    				car.waitWax();
    				System.out.println("Polishing!");
    				TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
    				car.Polishing();
    			}
    		}catch(InterruptedException e) {
    		     System.out.println("Exiting via InterruptedException!");
    		}
    		System.out.println("Polishing over!");
    	}
    }
    public class WatiAndNotify {
          public static void main(String[] args) throws Exception{
    		Car car = new Car();
    		ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    		exec.execute(new WaxOn(car));
    		exec.execute(new WaxOff(car));
    		TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    		exec.shutdownNow();
    	}            
    }
    
    

    运行结果:

    Polishing!
    Waxing!
    Polishing!
    Waxing!
    Polishing!
    Waxing!
    Polishing!
    Waxing!
    Polishing!
    Exiting via interrupt
    Wax Over!
    Exiting via InterruptedException!
    Polishing over!
    

    2.线程本地存储

    线程本地存储是一种自动化机制,可以为使用相同变量的不同线程都创建不同的存储。 创建和管理本地线程都由ThreadLocal类来实现。

    /**
     * 
     */
    package threads;
    
    import java.util.Random;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    class Accessor implements Runnable{
    	
    	private final int id;
    	public Accessor(int idn) {
    		id = idn;
    	}
    	public void run() {
    		while(!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
    			ThreadLocalVariableHodler.increment();
    			System.out.println(this);
    			Thread.yield();
    		}
    	}
    	public String toString() {
    		return "#" + id +": " + ThreadLocalVariableHodler.get(); 
    	}
    }
    public class ThreadLocalVariableHodler {
        private static ThreadLocal<Integer> value = new ThreadLocal<Integer>() {
        	private Random rand = new Random(47);
        	protected synchronized Integer initialValue() {
        		return rand.nextInt(10000);
        	}
        };
    	public static void increment() {
        	value.set(value.get()+1);
        }
        public static int get() {
        	return value.get();
        }
        
        public static void main(String[] args) throws Exception {
    		ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    		for(int i=0;i<5;i++) {
    			exec.execute(new Accessor(i));
    		}
    		Thread.sleep(3);
    		exec.shutdownNow();
    	}
    }
    
    
    输出结果:
    #0: 6694
    #3: 962
    #2: 1862
    #4: 556
    #1: 9259
    #3: 963
    #2: 1863
    #2: 1864
    #2: 1865
    #2: 1866
    #2: 1867
    #2: 1868
    #2: 1869
    ...
    
    

    ThreadLocal对象通常当作静态域存储。 在创建ThreadLocal时,你只能通过get()和set()方法来访问该对象的内容,其中get()方法返回与线程相关联的副本,而set()方法会将数据插入到其线程存储的对象中,并返回存储中原有的对象。

    volatile关键字

    也许还有人会说可以用volatile关键字来解决,因为有这么一句话:如果一个域可能会被多个任务同时访问,或者这些任务中至少有一个是写入任务,那么你就应该把这个域设置为volatile的。但是volatile关键字是不能保证线程安全的,该关键字只能使修饰的变量获得原子性(简单的赋值与返回操作),看个例子就知道了

    package test;
    
    public class volatileTest {
    	public static volatile int race = 0;
    	
    	public static void increase() {
    		race++;
    	}
    	private static final int THREADS_COUNT = 20;
    	public static void main(String[] args) {
    	   Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
    	   for(int i=0;i<THREADS_COUNT;i++) {
    		   threads[i] = new Thread(new Runnable() {
    			   public void run() {
    				   for(int i =0; i<1000; i++) {
    					   increase();
    				   }
    			   }
    		   });
    		   threads[i].start();
    	   }
    	   while(Thread.activeCount() >1) {
    		   Thread.yield();
    	   }
    	   System.out.println(race);
     	}
    }
    
    

    race++这条代码编译成字节码之后是有四条字节码指令的,

     getstatic  // Field race:I
     iconst_1    
     iadd
     putstatic  //Field race: I
    

    当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时,volatile关键字保证了race的值在此时是正确的,但是在执行iconset_1、iadd这些指令时,其他线程肯能已经把race的值加大了,而操作栈顶的数据就变成了过期的数据,所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步到主内存之中。
    volatile关键字主要功能就是两点

    1. 保证此变量对所有线程的可见性,指一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程是可见的,但并不是多线程安全的。
    2. 禁止指令重排序优化。

    Volatile如何保证内存可见性
    当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到内存。
    当读一个valatile时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程将会从主内存中读取共享变量。

    线程中断

    有时我们必须中断一个被阻塞的任务,这时我们需要调用Thread类的Interrupt()方法, 这个方法可以设置线程的中断状态。
    不能中断正在试图获取synchronized锁或者正在执行I/O操作的线程。

    当一个线程已经被阻塞,或者试图执行一个阻塞操作,那么设置这个线程的中断状态将抛出InterruptException。 当抛出该异常或者该任务调用Thread.interrupted()时,中断状态将被复位;Thread.interrupted提供了离开run()循环而不抛出异常的第二种方式。

    检查中断

    当我们在线程上调用interrupt()方法时,中断发生的唯一时刻是在任务要进入到阻塞操作中,或者已经在阻塞操作的内部(如我们所见,除了不可中断的I/O操作或被阻塞的synchronized方法之外,在其余的例外情况下,似乎并没有什么作用);
    但是如果我们只能通过在阻塞上抛出异常来退出,那么我们就无法总是可以离开run()循环;因此我们就需要用到第二种方法来退出,就是上面提到的interrupted()方法,该方法可以检查中断状态,这不仅可以告诉我们intrrupt()是否被调用过。而且还可以清除中断状态。 清除中断状态可以确保不并发结构不会就某个任务被中断这个问题而通知我们两次,我们可以经由单一的InterruptedException或单一的成功的Thread.interrupted()测试来得到通知。

    在任务之间使用管道进行输入/输出

    提供线程功能的类库以“管道”的形式对线程间的输入/输出进行了支持。 Java类库中对应的输入/输出类就是 pipedWriter类(允许任意管道间的写)和PipedReader类(允许多个不同线程对同一个管道读取,并且是可中断的)。

    死锁的产生:

    某个任务在等待另一个任务,而后者又在等待别的任务,这样一直下去,直到这个任务链上的某个任务又在等待第一个任务释放锁。
    要发生死锁必须同时满足四个条件:

    1. 互斥条件。任务使用的资源至少有一个不是共享的
    2. 至少有一个任务它持有一个资源且正在等待一个当前被别的任务持有的资源
    3. 资源不能被任务抢占,任务必须把资源释放当作普通事件。
    4. 必须有循环等待,这时,一个任务等待其他任务所持有的资源,后者由在等待另一个任务所持有的资源。

    免锁容器的定义:

    容器是所有编程中基础工具,这其中自然也包括并发编程。 出于这个原因,像Vector和HashTable这种早期容器就包含有许多synchronized方法,当它们用于非多线程的程序时,便会导致不可接受的开销。所以后面添加了新的容器,通过使用更灵巧的技术来消除加锁,从而提高线程安全的性能。

    这些免锁容器背后的策略是:对容器的修改可以与读取操作同时发生,只要用户只能看到完成修改的结果即可。 修改是在容器数据结构的某个部分的一个单独的副本(有时是整个数据结构的副本)上执行的,并且这个副本在修改过程中是不可视的;只有当修改完成时,被修改的结构才会自动地与主数据结构进行交换。

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  •  因为业务需求需要多个进程同时访问某个文件并进行读写操作的需求,因为文件并不是被同一个进程访问,而且极大可能会发生多进程争抢文件句柄的情况,如果同一个进程里不同的线程访问,或许还能使用线程锁的方式...

    转自: http://blog.csdn.net/wsxqaz/article/details/7194094       

            因为业务需求需要多个进程同时访问某个文件并进行读写操作的需求,因为文件并不是被同一个进程访问,而且极大可能会发生多进程争抢文件句柄的情况,如果在同一个进程里不同的线程访问,或许还能使用线程锁的方式控制,但是跨进程时就无法解决。网上询问解决方法基本上都类似Linux里日志文件服务一样,建立一个独立的文件操作服务,由文件操作服务来控制不同进程对同一个文件的访问。但是这样改动量就比较大,而且因为不同的程序可能是由不同的语言编写的,比如JAVA和C#。而不同的语言访问window服务可能都有局限性(部署更是个大问题因为window服务需要最高的system权限运行),更重要的是如果一个程序需要平凡读写文件,每次读写前必须绕一层服务效率上大打折扣,所以此方法并未采纳。

            为了解决不同开发工具开发和效率所带来的问题,我不得不设计一种较简单实现,又不用太过修改代码的方法。参考vss想到,为什么不能在每次文件读写前先将文件签出?但是如何保证签出后的文件其他进程无法都写呢?一个方法是建立一个签出服务,这个不行原因前面已经提过。于是考虑最简单的方法,也就是每次读写文件前先改文件的扩展名。

            改扩展名的方法非常简单,也不难实现。现在程序访问文件前,都必须用原文件名改名为包含签出扩展名的新文件名(现实中会将文件扩展名改为.ck),其他进程只会访问那些不是.ck为扩展名的文件。

    流程:

    1)  程序首先得到需要访问的原文件名(比如Test.xml)

    2)  使用原文件名作为基础,改名为签出文件名(比如Test.ck)

    3)  因为同一时间只可能有一个进程能够修改文件名,所以当一个进程抢先与另一个进程修改了文件,那另一个进程再次使用原文件名(Test.xml)将无法访问到这个文件(因为文件名已经被修改为Test.ck)而报错(可以屏蔽这个错误),如果修改成功则表示文件已经被你签出。你可以继续使用新的文件名对文件进行修改。其他进程如果使用原文件名将无法访问这个文件。

    4)  处理完数据后将文件扩展名改回原文件名(Test.xml)

     

            原理和写数据库时抢锁类似,每次访问文件前都必须首先改名(抢锁),只有抢到锁的进程才能进行后续操作。否则则等待其他进程释放锁。

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  • 多道程序设计的系统中同时存在着许多... 解决并发进程之间的错误关键就是解决共享变量的访问方式,当多个进程都想访问共享变量时,我们一定要管理好各个进程的使用规律,不然的话程序就会出错。采用PV操作,让相关进

        在多道程序设计的系统中同时存在着许多进程。他们可能同时装入主存,等待处理器的调度,这就形成的并发进程。对于单核处理器来说,并发进程并不是多个进程同时占用处理器同时执行,而是同时装入主存,至于进程什么时候被执行,这要看进程的调度策略啦! 谈到并发进程,我就想到进程的并发会产生许多错误,这些错误在我们在设计系统或者编写软件时都是尽量要避免的。 

        那么进程的并发执行为什么会产生错误那?归根到底是并发进程访问共享变量的事,当多个进程访问共享变量的过程中,就有可能会产生与时间有关的错误,或者是死锁。

        一、导图分析


       二、导图分析

       说到进程访问共享资源,我觉得首先先明白进程的同步与进程的互斥问题。

       1、进程的互斥:指当有若干个进程都要使用某一共享资源时,任何时候最多只允许一个进程去使用共享资源,其他要使用的进程必须等待,知道该资源的占用者释放了该资源。

       2、进程的同步:在并发进程之间存在一种制约关系,一个进程的执行依赖另一个进程的消息,当一个进程没有得到另一个进程的消息时应该等待,知道消息到达后才被唤醒。

       3、与时间有关的错误:多个进程共同执行时,交替的访问了共享变量,但是有一个进程由于自身原因或者外界原因被中断了后,稍后又接着执行,最后导致运行结果出错。

       例如:

       某小区有两扇门,其中一扇门是入口,另一扇门是出口,用一个计数器count显示在小区的人数,当有人进入时,由进程PIN实现计数加一,当有人退出时,由进程POUT减一。这两个进程如下

    <span style="font-family:KaiTi_GB2312;font-size:18px;">begin
         count: interge                                                               
         count: =0
    cobegin
    process PIN 
         R1: integer;
    begin
         R1:=count;
         R1:=R1+1;
         count: =R1;
    end ;
    
    process POUT 
         R2: integer;
    begin
         R2:= count;
         R2:=R2-1;
         count:=R2;
    end;
    coend;
    end;</span>
        假定某个时候的计数值count=n,这时有一个人要进入,正好有一个同时要出去,于是进程PIN和POUT同时都要执行,如果进程PIN和POUT都没有被打断,那么各自完成了count+1和count-1操作,count还是n,但是若果被打断了PIN操作,看下图



    这样执行过后,结果会变成n+1,这就是与时间有关的错误的实例。

        解决办法:采用PV操作,引进PV操作会引进一个叫临界区的名词,临界区是指并发进程中与共享变量有关的程序段。相关临界区是指并发进程中设计到相同变量的那些临界区。PV操作的原理是保证一个进程在临界区执行时,不让另一个进程进入相关临界区执行,即个进程对共享变量的访问是互斥的,这就不会造成与时间有关的错误。对于上面表格的一个例子来说,当进程PIN被打断后,POU不能访问共享变量count,直到PIN进程结束后才让POUT访问,这样最后的结果就正确了。

       三、小结

        解决并发进程之间的错误关键就是解决共享变量的访问方式,当多个进程都想访问共享变量时,我们一定要管理好各个进程的使用规律,不然的话程序就会出错。采用PV操作,让相关进程互斥的进入各自的临界区执行,这样就解决了并发进程间与时间有关的错误。好了,并发进程访问共享变量时,还会产生死锁,要想看死锁的形成原因及解决办法,请关注我的下一篇博客!

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  • 实际应用中, 可能会是去 open 一个 I2C 设备节点, 这个 I2C 控制着一个 I2C 多路分配器(例如1分8) 8路 I2C 连接着8个相同的 ...为了多进程共同访问这个 I2C 资源, 就要用信号量做同步和互斥了 // semaphore.c #in...
  • 并发编程面试题(2020最新版)

    万次阅读 多人点赞 2020-03-14 17:28:01
    文章目录基础知识并发编程的优缺点为什么要使用并发编程(并发编程的优点)并发编程有什么缺点并发编程三要素是什么? Java 程序中怎么保证多线程的运行安全?并行和并发有什么区别?什么是多线程,多线程的优劣?...
  • 然而实际应用中,不可能让一个服务器长时间地为一个客户服务,而需要其具有同时处理 多个客户请求的能力,这种同时可以处理多个客户请求的服务器称为并发服务器,其效率很 高却实现复杂。实际应用中,并发
  •  这些所谓的并发,其实都是操作系统做的事情,比如,多进程是操作系统fork函数实现的、I/O多路复用需要内核挂起进程、多线程需要内核创建和挂起线程。我么只是使用以下操作系统的这项并发技术。但是我们必须处理...
  • 本文详细介绍了Java并发编程基础,包括进程、线程、上下文切换、线程调度、线程优先级等常见的基本概念。
  • 线程共享的环境包括:进程代码段、进程的共有数据(利用这些共享的数据,线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。进程拥有这些共性的同时,...
  • CPU、核心,进程、线程,串行、并发、并行
  • 一、服务器并发访问的问题        服务器按处理方式可以分为迭代服务器和并发服务器两类。平常用C写的简单Socket客户端服务器通信,服务器每次只能处理一个客户的请求,它实现...
  • 操作系统的四大特征:并发共享、虚拟、异步。 并发 一段时间内,运行多个程序,执行多个任务。从宏观上来说的。...互斥共享方式:一段时间内只允许一个进程访问资源,如磁带机、打印机等,...
  • 并发环境中多进程之间的关系

    千次阅读 2011-01-05 14:00:00
    进程并发运行的环境中,多个进程之间存在如下竞争和合作的关系: - 进程中的资源争用(间接作用) 当并发进程竞争使用同一个资源时,它们之间就会发生冲突。为了避免冲突,当一个进程获得资源时,另...
  • 处理高并发、高访问之Apache优化

    万次阅读 2017-11-08 22:47:08
    导致访问速度变慢,作为一个没有遇到过这种情况下的辕,各种查阅资料后,先用删除日志更改日志输出的方法处理后(处理方法:修改Apache日志输出相关配置方法),暂时好缓,后来又出现变慢,查阅各种博客后,发现...

空空如也

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并发进程在访问共享资源