【作業系統】2.併發控制

朝槿yys發表於2024-10-30
作業系統

併發控制（Concurrency Control）是指在多執行緒或多程序環境中，確保多個操作在共享資源上的訪問不會發生衝突或產生不一致的情況。併發控制的核心目標是在允許併發操作的同時，保證系統的正確性、資料的一致性和完整性。

在併發環境下，不同的執行緒或程序可能會同時訪問共享資源（例如變數、檔案或資料庫記錄）。若沒有適當的併發控制，可能會發生資料競爭（Race Condition）或死鎖（Deadlock）等問題，導致系統出現錯誤或不穩定的狀態。因此，併發控制是實現多執行緒或分散式系統時必須考慮的問題。

併發控制的主要問題

  1. 資料競爭（Race Condition）：
    當多個執行緒同時讀取和修改共享變數，且訪問順序不確定時，可能會導致資料競爭。例如，一個執行緒正在寫資料，另一個執行緒正在讀取資料，讀到的可能是不完整或錯誤的結果。

  2. 死鎖（Deadlock）：
    當多個執行緒因相互等待對方釋放資源而無限期地等待時，就會產生死鎖。例如，執行緒A持有資源X並等待資源Y，而執行緒B持有資源Y並等待資源X，最終導致兩個執行緒都無法繼續。

  3. 資源飢餓（Starvation）：
    某些執行緒由於得不到所需資源而一直無法執行，稱為資源飢餓。例如，優先順序較低的執行緒可能由於高優先順序執行緒的持續佔用而一直得不到執行機會。

  4. 資料不一致：
    由於缺乏正確的併發控制，可能導致多個執行緒讀取和寫入共享資料，最終資料出現不一致的問題。例如，多個執行緒同時更新一個計數器，可能會導致最終計數不準確。

併發控制的常見機制

併發控制的核心是透過協調多個執行緒或程序對共享資源的訪問，確保操作的正確性。以下是常見的併發控制機制：

1. 鎖（Lock）

鎖是併發控制中最常用的工具，用於限制同一時間內只有一個執行緒訪問某個資源。常見的鎖型別包括：

  • 互斥鎖（Mutex）：一種互斥機制，確保同一時間只有一個執行緒訪問共享資源。其他執行緒必須等待，直到鎖被釋放。

    #include <iostream>
    #include <thread>
    #include <mutex>
    std::mutex mtx;
    void printSafe(const std::string& message) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自動加鎖和解鎖
    std::cout << message << std::endl;
    }

  • 讀寫鎖（Read-Write Lock）：允許多個執行緒同時讀取資料，但當一個執行緒寫入資料時，其它讀寫執行緒都必須等待。

  • 自旋鎖（Spin Lock）：一種簡單的鎖機制，執行緒在等待鎖時會持續檢查鎖的狀態，不進入休眠，適用於短時間的鎖等待場景。

2. 訊號量（Semaphore）

訊號量是一種控制執行緒數目的同步機制。訊號量有一個計數器，用於記錄當前可用的資源數：

  • 計數訊號量：可以設定允許的最大併發執行緒數，適合控制對有限資源的訪問。
  • 二元訊號量：與互斥鎖相似，但可以實現更復雜的同步機制。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore.h> // C++20 中引入
std::counting_semaphore<1> semaphore(1);
void sharedFunction() {
semaphore.acquire(); // 獲取訊號量
// 臨界區程式碼
std::cout << "Executing critical section" << std::endl;
semaphore.release(); // 釋放訊號量
}

3. 條件變數（Condition Variable）

條件變數是一種同步機制，允許執行緒在特定條件下等待。條件變數通常與互斥鎖一起使用，以便執行緒在條件不滿足時進入等待狀態，條件滿足時被喚醒。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void waitFunction() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return ready; }); // 等待條件滿足
std::cout << "Proceeding after condition met" << std::endl;
}
void signalFunction() {
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true; // 設定條件
}
cv.notify_all(); // 喚醒等待執行緒
}

4. 原子操作（Atomic Operation）

原子操作是一種不可中斷的操作，即使在多執行緒環境下，也不會被其他執行緒干擾。C++提供std::atomic來支援原子操作，可以有效避免資料競爭問題。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
counter.fetch_add(1); // 原子性增加1
}

併發控制的應用場景

  • 銀行賬戶系統：確保多個操作不會同時修改同一個賬戶的資料，防止因資料競爭導致的錯誤。
  • 生產者-消費者模型：使用條件變數或訊號量來控制生產者和消費者對緩衝區的訪問，防止資料丟失或重複讀取。
  • 資料庫系統：在多事務併發操作下確保資料的一致性和完整性，常使用鎖和日誌等方式實現併發控制。

併發控制的選擇

  • 鎖機制適用於需要嚴格控制訪問順序的情況，但需小心避免死鎖。
  • 訊號量更適合資源有限的場景，如限制同時訪問某資源的執行緒數。
  • 原子操作適用於簡單的共享變數操作，代價低且操作簡單，但僅限於一些基本操作。
  • 條件變數適用於等待特定條件的場景，能夠實現較高的執行緒協調效率。

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