ArtOfMP--笔记

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理解计算机系统是异步的：

• 任何活动都可能由于中断、抢占、缓存缺失、故障等事件而停止或延迟；
• 这些延迟都是不可预测的，规模可大可小：缓存缺失导致延迟的指令数少于10个，页面缺失导致延迟的指令多大几百万个，操作系统抢占导致延迟的指令数多达上千万个；

存在一些共享对象：容易描述，但不能被任何并发算法实现；

• 这些共享对象有哪些？
• 不要花费力气去实现这种类型的共享对象；

并发共享内存模型

• 描述
• 涉及哪些计算问题？(程序的正确性+)
• 哪些是并发共享内存模型可以实现的？哪些是并发共享内存模型不能实现的？

顺序程序的正确性

• 跟安全性有关；

顺序程序的安全性

• 描述
  坏的事情永远都不会发生
• 示例
  即使断电了，交通灯永不会在所有方向都显示绿色

并发程序的正确性

• 比顺序执行程序更复杂，需要不同的工具，及非正式的推理；
• 跟安全性有关，但更复杂
• 跟活性有关，这是顺序程序没有的

并发程序的安全性

• 描述
  无论多个并发线程怎么进行交叉执行，都必须保证坏的事情永远不会发生

并发程序的活性

• 描述
  某种好的事情总会发生
• 示例
  交通灯总会变绿的

顺序程序的性能分析

• 描述
  基于一系列完善且易于理解的抽象；
  不需要了解顺序程序执行时底层到底发生了什么，
  比如页面从硬盘swap到内存，
  在处理器缓存层间移进和移出比页面更小的内存单元；
  在顺序程序里，通过简单的编程抽象，这种复杂的内存层级是不可见的；

并发程序的性能分析

• 描述
  不同于顺序程序的性能分析，并发编程需要底层复杂的内存层级结构，
  了解顺序程序执行时底层到底发生了什么，
  比如页面从硬盘swap到内存，
  在处理器缓存层间移进和移出比页面更小的内存单元；

共享对象示例

• 自旋锁
• 链表

自旋锁

• 描述
  说明并发程序之间的竞争；
• 对程序性能有什么影响？

链表

• 描述
  说明锁在数据结构设计中的角色；
• 对程序性能有什么影响？

并发相关问题

• 互斥问题
• 死锁问题
• 有界公平问题
• 阻塞同步和非阻塞同步问题

并发调度问题示例
Alice和Bob是邻居，共用一个院子。
Alice有只猫，Bob有只狗。
两只宠物都喜欢在院子里跑，但是不能和平相处。
问题：怎么保证两只宠物永远不会同时出现在院子里？

平凡解：
不允许两只宠物进入院子；

方案一：
院子很大，Alice不能简单地看下窗户来判断Bob的宠物在不在院子里。
Alice可以直接走到Bob的房子前，然后敲门来确认，缺点是花费时间太久；

方案二：
Alice推开窗户，大声叫Bob，问其可以放猫出去吗，问题是Bob可能听不到，
因为Bob可能在看电视，可能去看女朋友了，可能出门给宠物买食品了等。

方案三：
通过手机来调度，问题是如果Bob在洗澡，或者在隧道里开车，
或者在给手机充电，则Bob就接收不到Alice的电话了。

方案四：
Alice在Bob的窗台上放置多个空的啤酒罐，在每个啤酒罐周围系上一个绳子，
拉着绳子回到自己房子。
Bob也这样做。
当Alice想给Bob发信号时，她就使劲摇绳子直至撞倒一个啤酒罐。
当Bob注意到一个啤酒罐被撞倒时，他就重置这个啤酒罐。
问题是Alice可以放置的啤酒罐的数量是有限的，很快就会撞倒所有的啤酒罐。
当然，Bob可以一注意到有个啤酒罐被撞倒，就重置这个啤酒罐。
但是，如果Bob去度假了，则总会出现所有的啤酒罐都被撞到了的情况。

方案五：
Alice和Bog各自竖一个容易被看到的旗杆。

当Alice想放她的猫到院子时，Alice就会

1. 升起她的旗子；
2. 当Bob的旗子没升起时，她就放她的猫到院子里；
3. 当她的猫回来时，她就降下她的旗子；

当Bob想放他的狗到院子时，Bob就会

1. 升起他的旗子；
2. 只要Alice的旗子还升着，则
   a）Bob就降下他的旗子；
   b）Bob会一直等待直到Alice降下她的旗子；
   c）Bob升起他的旗子；
3. 他的旗子被升起且Alice的旗子没升起，Bob就放他的狗到院子里
4. 当他的狗回来时，他就降下他的旗子；

旗子定理

如果Alice和Bob每个人都：

1. 升起各自的旗子，然后
2. 看一下对方的旗子，
   则
   （1）至少有一个人会看到对方的旗子已经升起，不会放其宠物到院子里；
   （2）两只宠物永远都不会同时出现在院子里（安全性-互斥性）；
   （3）如果有一只宠物想进入院子，则其最终会进入的；
   （4）如果两只宠物都想进入院子，则最终至少有一只会进入；
   （5）不满足免饥饿性，即如果每当有冲突时，Bob总是顺从Alice，则
   有可能Alice的猫一直在使用院子，而Bob的狗就会越来越不耐烦；
   （6）不满足无等待性：如果Alice升起她的旗子后，突发阑尾炎。接着，她和猫一起被带到了医院。在接受了成功的手术之后，又留院观察了一个礼拜。虽然Bob得知Alice身体好后长舒了一口气，但是他的狗不能使用院子一个礼拜直到Alice回来。因为协议描述到Bob和他的狗必须等待Alice降下她的旗子。如果Alice被延后了，则Bob无条件被延后；

证明：

假定表示Alice升起她的旗子，
表示Alice看Bob的旗子有没有升起，
假定表示Bob升起他的旗子，
表示Bob看Alice的旗子有没有升起，

根据旗子定理的假设可知，A_1->A_2，B_1->B_2；

从而有以下6种可能的并发执行方式：

1. A_1->A_2->B_1->B_2

2. A_1->B_1->A_2->B_2

3. A_1->B_1->B_2->A_2

其余三种类似。

可用反证法证明（2）

反证：
假定Alice和Bob的宠物都出现在院子里，则：
Alice的猫出现在院子里，必有A_2->B_1，即A_1->A_2->B_1->B_2；
Bob的狗出现在院子里，必有B_2->A_1，即B_1->B_2->A_1->A_2，
从而有B_1->A_2，矛盾；

互斥性

无死锁

无饥饿

无等待
Bob和Ailce协议的有点是满足了互斥性和无死锁，缺点是不满足无等待，不满足无饿死；

方案二：大喊方案--瞬时通信
Alice推开窗户，大声叫Bob，问其可以放猫出去吗，问题是Bob可能听不到，
因为Bob可能在看电视，可能去看女朋友了，可能出门给宠物买食品了等。

方案三：打电话方案--瞬时通信
通过手机来调度，问题是如果Bob在洗澡，或者在隧道里开车，
或者在给手机充电，则Bob就接收不到Alice的电话了。

方案四：can-string协议--中断通信
Alice在Bob的窗台上放置多个空的啤酒罐，在每个啤酒罐周围系上一个绳子，
拉着绳子回到自己房子。
Bob也这样做。
当Alice想给Bob发信号时，她就使劲摇绳子直至撞倒一个啤酒罐。
当Bob注意到一个啤酒罐被撞倒时，他就重置这个啤酒罐。
问题是Alice可以放置的啤酒罐的数量是有限的，很快就会撞倒所有的啤酒罐。
当然，Bob可以一注意到有个啤酒罐被撞倒，就重置这个啤酒罐。
但是，如果Bob去度假了，则总会出现所有的啤酒罐都被撞到了的情况。

操作系统里的中断机制

• 描述
  在现代操作系统里，一个线程得到另一个线程关注的常用方式就是向它发送一个中断：
  线程A在一个位置设置了一位变量，线程B周期性地检测这个变量。不久以后，线程B发现这个变量位被设置了，并作出响应。线程B在响应后就把这个位变量重置了，线程A不能重置这个位变量。
• 中断不能解决互斥问题，但还是有用的，比如中断通信是Java里的wait()和notify()方法的基础

方案二和方案三代表的是实时通信，要求双方都同时参与。

瞬时通信要求双方都同时参与

持久通信允许发送者和接收者在不同的时间参与通信，比如寄信、发邮件、在石头上留笔记等；

互斥性需要的是持久通信。

方案五：
Alice和Bog各自竖一个容易被看到的旗杆。

当Alice想放她的猫到院子时，Alice就会

1. 升起她的旗子；
2. 当Bob的旗子没升起时，她就放她的猫到院子里；
3. 当她的猫回来时，她就降下她的旗子；

当Bob想放他的狗到院子时，Bob就会

1. 升起他的旗子；
2. 只要Alice的旗子还升着，则
   a）Bob就降下他的旗子；
   b）Bob会一直等待直到Alice降下她的旗子；
   c）Bob升起他的旗子；
3. 他的旗子被升起且Alice的旗子没升起，Bob就放他的狗到院子里
4. 当他的狗回来时，他就降下他的旗子；

方案5满足互斥性和无死锁，表明两个线程之间的互斥问题可通过只使用两个1位的变量来解决：每个变量被一个线程写，被另一个线程读。