算法设计与应用1-1 互斥算法

Chap 1

1.1互斥算法

进程vs线程

• 计算机需要能够同时执行多个任务
• 可以并行执行，也可以在执行过程中反复切换任务，或者两者混合执行
• 重量级进程有自己的代码、数据内存(全局变量和堆空间)和执行堆栈(局部变量和方法调用的激活记录)
  • 进程可以独立运行，提供对外部资源(如文件)的访问是协调的(如由操作系统)
• 一个线程的执行(轻量级进程)共享代码和数据内存，但有自己的执行堆栈
  • 线程可以在同一代码的不同点运行
  • 需要仔细协调对全局变量/字段的访问(共享状态)，以避免竞争条件
• 不同的应用程序通常在不同的进程中执行，但在应用程序中，线程通常用于执行多个任务
  • 操作系统需要时间在进程之间上下文切换(必须保存/恢复进程状态每个开关)
  • 在线程之间切换比在进程之间切换快得多

原子操作

• 一个原子操作，保证一个线程在一瞬间完全执行

• 没有其他线程可见的中间状态

• 不是很明显什么操作是原子的，比如x++不是原子的，因为它可能变成多个机器指令

  LOAD R,x
  INC R
  STORE R,x
  

• 每个线程都有自己的执行堆栈，所以使用相同寄存器变量R的两个线程没有问题(它们在交换线程时被保存/恢复)

非原子操作期间的线程交换

• 如果线程通过非原子操作进行交换，可能会发生“奇怪的事情”(竞态条件)

• 如果一个线程试图读取一个全局变量/字段，而另一个线程正在更改它的值，读取的值取决于线程交换执行时的精确时间

  • 场景1:线程A开始执行x++，但线程B在线程A存储新值之前读取了x(线程B获得了原始值)

    LOAD R,x
    INC R
    							LOAD R,x
    STORE R,x
    

  • 场景2:线程A执行x++，然后线程B随后读取x(线程B获得增量值)

    LOAD R,x
    INC R
    STORE R,x
    							LOAD R,x
    

更新丟失

• 当两个线程修改相同的共享状态时，也会发生更糟糕的“奇怪的事情”

• 示例:线程A执行x++，而线程B也执行x++

  • 场景1:线程A执行x++然后线程B执行x++ (x加2)

    LOAD R,x
    INC R
    STORE R,x
    							LOAD R,x
    							INC R
    							STORE R,x
    

  • 场景2:线程A开始执行x++，但是线程B在线程A存储新值之前读取了x (x只加1)

    LOAD R,x
    INC R
    							LOAD R,x
    							INC R
    							STORE R,x
    STORE R,x
    

• 被称为“更新丟失问题”

  • 即使多个线程执行代码来更新共享状态，有时只出现一些更新

  • 调试可能非常具有挑战性

  • 示例代码LostUpdate

    /**
       A class that demonstrates the lost update problem in concurrency
       by creating two threads that concurrently try to increment x
       each a total of ITE