第四章学习笔记

第四章学习笔记

知识点总结

1.并发与并行：

• 并发是多个任务在同一时间段内交替执行，而不一定是同时执行。这通常是通过操作系统的时间片轮转来实现的，各个任务分时共享处理器。
• 并行是多个任务真正同时执行，通常需要多个处理器核心。这可以显著提高性能，但需要更复杂的硬件和软件支持。

2.线程和进程：

• 线程是程序内的执行单元，多个线程可以在同一进程内并发执行。它们共享相同的内存空间，因此可以轻松地共享数据。
• 进程是独立的执行环境，每个进程都有自己的内存空间和资源。不同进程之间的通信通常需要额外的机制，如进程间通信（IPC）。

3.同步与异步：

• 同步操作是按顺序执行，一个操作完成后才执行下一个。同步通常使用互斥锁来保护共享资源，以防止多个线程同时访问。
• 异步操作是可以同时执行，不需要等待前一个操作完成。异步编程通常使用回调、Promise、async/await等机制来处理。

4.互斥和锁：

• 互斥是一种用于保护共享资源的技术，以防止多个线程同时修改它。最常见的实现方式是互斥锁，它只允许一个线程访问被锁定的资源，其他线程必须等待。
• 除了互斥锁，还有信号量、读写锁等不同类型的锁，每种锁适用于不同的并发场景。

5.死锁：

• 死锁是一种并发编程错误，它发生在多个线程或进程相互等待对方释放资源的情况下。这导致所有任务都无法继续执行，造成系统僵死。
• 死锁的预防和解决通常涉及到合理的资源分配、按序加锁、超时机制、死锁检测和解除等策略。

6.条件变量：

• 条件变量是用于线程间通信和同步的重要工具。它们允许线程等待某个条件的发生，然后才继续执行。
• 条件变量通常与互斥锁结合使用，等待线程在互斥锁上休眠，直到其他线程满足条件并发出信号，唤醒等待的线程。
• 条件变量在解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等场景中非常有用。

7.并发数据结构：

• 并发数据结构是专门设计用于多线程或多进程环境的数据结构，以确保线程安全的数据操作。
• 例如，并发队列（如Java的ConcurrentLinkedQueue）、并发映射（如Java的ConcurrentHashMap）允许多个线程同时访问数据而不会导致竞态条件。
• 这些数据结构通常使用锁、原子操作或其他同步机制来确保线程安全性。

8.原子操作：

• 原子操作是不可分割的操作，即它们要么完全执行，要么根本不执行。这保证了数据的一致性。
• 原子操作通常由硬件支持，例如在现代处理器上的CAS（Compare-And-Swap）指令，或者通过锁机制来实现。
• 原子操作对于并发计数、信号量、自旋锁等非常有用。

9.线程池：

• 线程池是一组预先创建的线程，用于执行任务队列中的任务。这可以减少线程的创建和销毁开销，提高系统性能。
• 线程池通常包括一个任务队列和一组工作线程，任务被提交到队列中，线程池中的线程按需取出并执行这些任务。
• 线程池管理线程的生命周期，可以控制并发度，避免过多线程同时运行。

10.并发模型：

• 并发模型是一种用于描述如何处理并发任务的方法。不同的并发模型适用于不同类型的问题和应用场景。
• 常见的并发模型包括多线程模型、多进程模型、事件驱动模型和消息传递模型。
• 选择适当的并发模型取决于任务的性质和要解决的问题，例如，多线程模型适合CPU密集型任务，而事件驱动模型适合I/O密集型任务。

苏格拉底挑战

问题及解决方案

1.竞态条件：

• 问题：多个线程同时访问共享资源，可能导致不确定的结果。
• 解决方案：使用互斥锁或其他同步机制来保护共享资源，以确保只有一个线程可以访问。

2.死锁：

• 问题：多个线程相互等待彼此持有的资源，导致所有线程无法继续执行。
• 解决方案：遵循资源请求的有序性、超时等策略，或使用死锁检测和解除机制。

3.饥饿：

• 问题：某些线程长时间无法获得所需的资源，导致它们无法执行。
• 解决方案：采用公平的资源分配策略，确保每个线程都有机会访问资源。

4.活锁：

• 问题：线程一直重试某个操作，但无法进展，通常是由于线程之间的过度协作而引起。
• 解决方案：引入随机性或策略变化，以打破协作循环。

5.数据竞争：

• 问题：多个线程同时修改共享数据，没有适当的同步措施，可能导致数据损坏和应用程序崩溃。
• 解决方案：使用互斥锁、原子操作、事务性内存等来确保数据访问的原子性。

6.性能瓶颈：

• 问题：过多的锁使用、线程间频繁通信等可能导致性能下降。
• 解决方案：优化并发数据结构、减少锁的使用、采用无锁数据结构，以提高性能。

7.线程泄漏：

• 问题：线程没有正确终止，导致资源泄漏。
• 解决方案：确保线程在不再需要时正确终止，或使用线程池来管理线程的生命周期。

实践过程

演示了如何在多线程环境中使用 POSIX 线程库进行并发编程。这个示例创建两个线程，每个线程都执行不同的任务，用于演示线程的创建和同步。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 线程函数1
void* thread_function1(void* arg) {
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("Thread 1: Counter %d\n", i);
        sleep(1);  // 模拟工作
    }
    pthread_exit(NULL);
}

// 线程函数2
void* thread_function2(void* arg) {
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("Thread 2: Counter %d\n", i);
        sleep(1);  // 模拟工作
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    
    // 创建线程1
    if (pthread_create(&thread1, NULL, thread_function1, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }

    // 创建线程2
    if (pthread_create(&thread2, NULL, thread_function2, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }

    // 等待线程1和线程2完成
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    printf("Both threads have completed.\n");
    
    return 0;
}

在这个示例中，我们创建了两个线程，每个线程都执行一个简单的计数任务，然后休眠 1 秒以模拟工作。最后，我们等待两个线程完成。