并发编程之临界区\阻塞\非阻塞\死锁\饥饿\活锁

原创
05/11 08:18
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本文介绍并发编程中的若干概念,实际上在笔者之前的文章中,已经介绍过很多概念。比如:并发与并行、同步与异步、锁与信号量等等。参考《并发编程专栏》,本文计息介绍一些相对深入一些的概念

一、临界区

为了方便大家理解,我们先看下面的这样一张图,我们可以把房子看作一个进程,每个房子里面的住户及其活动看作一个线程,饮水机、健身器材、厕所都属于共享资源。这里的共享资源实际就是临界区的概念,临界区的资源在同一时间只能被一个线程(住户)使用,所以一旦临界资源被占用,其他的线程(住户)能做的就只有等待。

比如,在一个出租房内,住户A占用了厕所,在他使用厕所的这段时间内厕所这个资源就是他独占的。如果住户B此时也想上厕所,就只能等待住户A上完厕所之后才可以继续使用该资源。

二、阻塞和非阻塞

了解了临界区的概念之后,阻塞概念就好理解了。一个线程先占用了临界区的资源,此时如果其他的线程想使用临界区资源就必须等待。这种占用临界区资源,阻塞其他线程继续执行的情况就是线程阻塞(Blocking)。

然而说到非阻塞,一般说的就是是否对当前线程自己产生阻塞,比如:

  • 我执行一个任务,比如使用饮水机接水。我拿了一个杯子接水,而我必须在饮水机前面等着水接完,这种就是阻塞式线程。
  • 如果我拿了杯子接水,把杯子放到饮水机下面,饮水机会在杯子接满水之后,自动对我发出异步通知(比如声音告警)。我可以在此期间做其他的事情,这种就是非阻塞式线程(Non-Blocking)。非阻塞式线程,从编程的角度一般都是通过回调函数,或者响应式编程(Reactive programming)实现的。

三、死锁、饥饿和活锁

  • 死锁:我们来看上面的这张图,在十字路口A车道的A1车像转向B车道,但B车道入口被B1车占用;在十字路口B车道的B1车像转向C车道,但C车道入口被C1车占用;在十字路口C车道的C1车像转向D车道,但D车道入口被D1车占用;在十字路口D车道的D1车像转向A车道,但A车道入口被A1车占用;也就是说:线程因为资源竞争,彼此需要资源又都无法释放,导致线程无法获取下一步执行所需的资源,导致死锁产生。

  • 饥饿:举个例子农民给小鸡喂食,如果有五只鸡每次都刚好给五只鸡的饲料量。无法避免的是有的鸡吃的量超过规划量,最总导致某一只鸡无法吃到足够的饲料。由于它无法迟到足够的饲料,它就比较瘦弱,抢食的能力弱。恶性循环,最终很可能被饿死。具体到编程层面,就是某一线程A的优先级比较低,然后优先级高的线程又经常占用资源不释放,线程A长期无法得到有效执行,处于饥饿状态。极端情况下,可能被饿死。

  • 活锁:相对于死锁和饥饿,活锁是一种相对好的状态。大家在生活中肯定遇到过这样一种情况,你在楼梯拐角遇到一个同事,空间有限所以二人茬住了。你向左移动,你的同事也向左移动;你向右移动,你的同事也向右移动;所以你们两个人都无法向前移动,这就是一个典型的活锁。因为人是高智慧的动物,又都懂得礼让,所以对于人来说活锁的问题很好解决,只要其中一个人原地不动,另一个人动一下就过去了。但是多线程面对活锁的时候就没有那么智能了,有可能出现不断地释放资源(向左移)、占用资源(向右移)的循环中,即使最终活锁被解开,其资源开销及时间成本都是很大的。

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