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1、数智创新变革未来低级并发协调机制1.锁的类型和特性1.死锁的成因和预防1.自旋锁与互斥锁的比较1.乐观并发控制与悲观并发控制1.读写锁的实现和应用1.原子操作与内存屏障1.同步队列与信号量1.无锁并发机制概述Contents Page目录页 锁的类型和特性低低级级并并发协调发协调机制机制锁的类型和特性获取锁的机制1.主动获取锁（主动锁定）：进程在需要临界区资源时，主动向系统请求获取锁，如果可以获得锁则进入临界区执行，否则进入等待队列。2.被动获取锁（被动锁定）：当进程需要进入临界区时，系统自动为其分配一个锁，如果此时临界区资源可用则直接进入，否则进入等待队列。锁的状态1.授予状态：锁已授予某个
2、进程，该进程拥有临界区资源的独占访问权。2.等待状态：有进程正在等待获取锁，但锁已经被其他进程持有。3.释放状态：锁已被释放，临界区资源可供其他进程访问。锁的类型和特性1.独占锁：一次只能被一个进程持有，保证临界区资源在同一时刻只能被一个进程访问。2.共享锁：可以同时被多个进程持有，允许多个进程并发访问临界区资源，但不能同时对资源进行修改。3.读写锁：一种混合类型的锁，分为读锁和写锁。读锁可以被多个进程同时持有，允许并发读操作；写锁一次只能被一个进程持有，保证写操作的独占性。锁的性能1.加锁时间：获取锁所需的时间，影响系统的并发性和响应时间。2.冲突开销：不同进程对临界区资源访问冲突时产生的开
3、销，包括排队等待和上下文切换等。3.吞吐量：单位时间内系统处理请求的能力，与锁的效率和资源利用率相关。锁的类型锁的类型和特性锁的实现1.硬件锁：使用硬件指令或特殊寄存器实现锁操作，具有高性能和可扩展性。2.软件锁：使用软件算法和数据结构实现锁操作，灵活性强，但性能可能较低。3.分布式锁：用于分布式系统环境中，协调多个节点对共享资源的访问。锁的优化1.锁粒度优化：根据具体场景选择合适的锁粒度，避免过度加锁或粒度过粗导致并发性降低。2.锁的种类选择：根据资源访问特性选择合适的锁类型，例如使用读写锁来提高读操作的并发性。死锁的成因和预防低低级级并并发协调发协调机制机制死锁的成因和预防死锁的成因1.互
4、斥条件：进程对资源的独占使用，无法同时被其他进程访问。2.占有且等待条件：进程在持有资源的同时，等待其他持有的资源。3.不可剥夺条件：已分配给进程的资源无法被强制收回，即使其他进程需要。4.循环等待条件：进程形成一个环形等待关系，每个进程都等待下一个进程释放资源，形成死锁。死锁的预防1.破坏互斥条件：允许多个进程同时访问相同的资源，例如通过资源共享或多线程。2.破坏占有且等待条件：要求进程在申请资源之前释放所有已持有的资源，称为“单一请求”。3.破坏不可剥夺条件：当进程无法继续运行时，可以强制收回其持有的资源。4.破坏循环等待条件：对资源进行排序并规定进程只能按顺序申请资源，防止环形等待。5.
5、使用死锁避免算法：在分配资源之前检查是否存在死锁的可能性，并采取措施避免。6.使用死锁检测和恢复算法：定期检查系统中是否存在死锁，并在检测到死锁时采取措施恢复系统。自旋锁与互斥锁的比较低低级级并并发协调发协调机制机制自旋锁与互斥锁的比较自旋锁与互斥锁的比较：1.自旋锁通过让等待锁的线程持续检查锁的状态来避免阻塞，而互斥锁通过阻塞等待线程来实现互斥访问。2.自旋锁适用于竞争不激烈的场景，因为频繁的CPU检查会消耗大量资源；互斥锁适用于竞争激烈的场景，因为阻塞机制可以有效避免过度竞争。3.自旋锁不会出现死锁，而互斥锁可能会出现死锁，因为线程可能会被长时间阻塞。持有时间：1.自旋锁的持有时间较短，因
6、为线程在获取锁后立即释放锁；互斥锁的持有时间较长，因为线程在获取锁后可能会持有锁一段时间。2.自旋锁适用于需要快速获取锁的场景，例如中断处理；互斥锁适用于需要长时间持有锁的场景，例如资源管理。3.短持有时间可以减少竞争，但频繁的CPU检查可能会导致性能下降；长持有时间可以减少CPU开销，但可能会导致竞争加剧。自旋锁与互斥锁的比较可伸缩性：1.自旋锁的伸缩性较差，因为随着竞争的加剧，CPU开销也会增加；互斥锁的伸缩性较好，因为阻塞机制可以有效限制竞争。2.在大规模并发系统中，自旋锁可能会导致严重的性能问题；互斥锁可以更好地应对大规模并发。3.可伸缩性是设计并发系统时需要考虑的重要因素，选择合适的
7、锁机制对于提高系统性能至关重要。公平性：1.自旋锁是非公平的，这意味着后来的线程可能比先来的线程更早获取锁；互斥锁是公平的，这意味着先来的线程总是优先获取锁。2.公平性对于确保所有线程都有机会访问资源很重要；不公平性可能会导致某些线程被饿死。3.在某些情况下，公平性尤为重要，例如实时系统或数据库系统。自旋锁与互斥锁的比较上下文切换：1.自旋锁通常不会导致上下文切换，因为线程不会被阻塞；互斥锁通常会导致上下文切换，因为线程在获取锁之前会被阻塞。2.上下文切换会消耗资源，因此尽量减少上下文切换对于提高系统性能至关重要。3.选择合适的锁机制可以有效减少上下文切换，从而提高系统响应性。粒度：1.自旋锁
8、的粒度较小，意味着它可以保护较小的资源块；互斥锁的粒度较大，意味着它可以保护较大的资源块。2.粒度对于控制并发访问非常重要；粒度过小可能会导致过度竞争，而粒度过大可能会导致资源利用率低下。读写锁的实现和应用低低级级并并发协调发协调机制机制读写锁的实现和应用读写锁的实现1.读写锁的两种主要实现方式：乐观和悲观。2.乐观读写锁允许并发读，但写入时需要独占，适用于读操作远多于写操作的场景。3.悲观读写锁严格控制并发访问，读操作也需要获取共享锁，适用于写操作频繁或读写比例较为均衡的场景。读写锁的应用1.数据库管理系统：协调对数据库表的并发访问，确保数据一致性和完整性。2.多核编程：在多线程并行环境中，
9、管理对共享资源的并发访问，防止数据竞争。3.应用程序缓存：同步对缓存的并发访问，避免脏数据和缓存一致性问题。原子操作与内存屏障低低级级并并发协调发协调机制机制原子操作与内存屏障原子操作1.原子操作是指不可被中断的操作，作为一个整体执行，要么成功，要么失败。2.原子操作通常用于多线程环境中，防止线程间数据竞争。3.常见的原子操作包括读取-修改-写入、加载链接/存储条件等。内存屏障1.内存屏障是一种编译器指令，用于强制处理器按特定顺序访问和修改内存。2.内存屏障可以防止指令重排序，确保指令执行顺序与程序员预期保持一致。3.不同的内存屏障类型有不同的功能，如确保内存访问的可见性、禁止重排序或两者兼有
10、。同步队列与信号量低低级级并并发协调发协调机制机制同步队列与信号量同步队列*实现进程间同步通信：同步队列是一种先进先出（FIFO）的队列，允许进程在队列中发送和接收消息，用于实现进程之间的同步通信。*阻塞和非阻塞操作：当队列为空时，从队列接收消息的进程会被阻塞，直到有消息可供接收。当队列已满时，向队列发送消息的进程会被阻塞，直到有空间可供发送。*多种实现方式：同步队列有多种实现方式，包括链表、循环缓冲区和数组，每种方式都有自己的优缺点，需要根据具体应用场景进行选择。信号量*计数器和互斥锁：信号量是一种表示资源可用性的计数器，也可以用作互斥锁，确保同一时刻只有一个进程可以访问共享资源。*原语操作：信号量可以通过原语操作（如P操作和V操作）进行修改，P操作减少计数器并可能导致进程阻塞，而V操作增加计数器并唤醒阻塞的进程。*POSIX和Windows实现：POSIX和Windows操作系统提供了对信号量的支持，其中POSIX信号量基于整数，而Windows信号量基于事件对象。感谢聆听Thankyou数智创新变革未来
