并发编程基础 Lecture Notes(二)

本文深入探讨了进程与线程的概念及其区别,包括它们在内存管理、资源共享和调度方面的特性。此外,还讨论了线程的优势,如提高CPU利用率、减少上下文切换开销以及实现并行与串行之间的平衡。

读写内存,硬盘的速度始终不及CPU的处理速度。除了CPU以外构成了这个程序的执行环境,也就是我们所定义的程序上下文。当一个程序执行完了,或者分配给他的CPU执行时间用完了,那它就要被切换出去,等待下一次CPU的“临幸”,在被切换出去的最后一步工作就是保存程序上下文,因为这个是下次他被CPU“临幸”的运行环境,必须保存。

进程切换:

加载程序的上下文(数据,程序,资源等等),然后开始执行A,保存程序A的上下文;调入下一个要执行的程序B的程序上下文,然后开始执行B,保存程序B的上下文。

线程切换:

进程的粒度太大,每次都要有上下文的调入,保存和调出,开销太大。此时可以将进程切割成多个粒度小的线程共享了进程的上下文环境,切换线程的时候,只需要切换CPU的控制权。

The advantages of thread:

- switch的时候开销小

- 保证性能,宏观上并行,微观上串行

从CPU角度上来说线程并无法提升性能,但是如果某些线程涉及到等待资源比如I/O, 等待输入时,多线程允许进程中的其他线程继续执行而不是整个进程被阻塞,从此提高了CPU的利用率

- 多个线程共享一个进程内存空间

Process && Thread && Program

1. 进程,是一个程序的顺序执行。与进程相关的有进程的地址空间address space。在地址空间中,存放可执行的程序,程序的数据和程序的堆栈。除此之外与进程相关的还有其他资源集,比如寄存器,打开文件的清单等,这些都存放在进程表中。在分时系统中,OS周期性的挂起一个进程(挂起时,之前的所有信息都必须保存下来),然后启动运行另一个进程。系统管理器授权每一个进程使用一个给定的UID标识,子进程与父进程一样的UID。用户可以是某个组的成员,每个组也有一个GID标识。为了完成某些任务,相关的进程需要通信。单个处理器可以被多个进程共享,CPU使用某种调度算法决定何时停止一个进程的工作,并转而为另一个进程提供服务。

2. 进程独立享有内存地址空间,是资源分配的基础单位,而线程是CPU分配的基本单位。多个线程可以共享一个进程的资源,线程又有自己的独立的栈来保存本地变量(寄存器,栈和程序计数器)

3. http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

Confinement:

- don't give any other threads to read or write the data directly

JAVA Iterator: 我们不可以在iterate一个collection的时候,修改集合里面的元素

- local variable could always be thread confined cuz it is just stored in the stack, and each thread has its own stack

Atomicity: an atomic action makes an indivisible state transformation(any intermediate state that may exists on the implementation must not be visible to another process)

- Fine grain,the action is implemented directly by the hardware on which a concurrent program executes

int y = 2, z = 0 开辟一块内存,栈中一个引用该块内存,将数据放入内存,中间操作对其他程序都不可见

int y = 0, z = 0; co x = y + z; // y = 1; z = 2; oc x的值可能是0,1,2,3;因为并行程序顺序的不确定性,y和z的值都对其他程序可见

》At most once property(Amo),at most one simple variable could be changed by another process and if this variable is only reference at most once in the expression. 

int x = 0, y = 0;

co x = y + 1; // y = x + 1; oc

不满足AMO,因为S1和S2互相引用对方的variable

》假如一个expression不满足amo,我们必须通过同步机制来构建所谓的原子性——coarse-grained atomic action

A coarse-grained atomic action is a sequence of fine-grained atomic actions which appears to be invisible.

Await:

await B S;

S - it's atomic, it contains sequential statements

B - delay condition

<await (s>0) x = x - 1;> //the atomic action delays until s is positive then decrements s. No other process can sneak in and chance in the meantime. 

- safety, an assertion that something bad never happens

- liveness, an assertion that something good eventually happens. It relies on the fairness which is concerned with guaranteeing that processes get the chance to proceed regardless of what other processes do.

- triple, {P}S{Q}

P: pre-condition

Q: post-condition

Both of P and Q are assertions

- fairness

》unconditional fairness, every unconditional atomic action that is eligible is eventually executed

》weak fairness

》strong fairness

weak fairness VS strong fairness

Weak fairness:you need to raise a flag saying that you wanna access, and you have to keep this flag up all the time until you get access. The condition should be true from some point and remains true until the action is taken.

Strong Fairness:you need to raise the flag every now and then, and you know that eventually you'll get access

http://cs.stackexchange.com/questions/52824/example-for-weakly-fair-v-s-strongly-fair-scheduling-in-concurrency


Strategy for solving concurrent problems:

critical section -> mutual exclusion, absence of deadlock, eventual entry, no unnecessary delay, global invariant

busy waiting, a process would repeatedly check a condition until it becomes true, but it always takes time to carry out checking

Test and set:

TS(lock, cc) <cc = lock, lock = true, return cc>

R(lock) <lock = false>

boolean cc;

do{

while(TS(lock, cc));

enter critical section;

R(lock);

}while(1);


1. https://www.zhihu.com/question/25532384

2. the materials of Concurrent && Distributed Systems course


下载方式:https://pan.quark.cn/s/a4b39357ea24 布线问题(分支限界算法)是计算机科学和电子工程领域中一个广为人知的议题,它主要探讨如何在印刷电路板上定位两个节点间最短的连接路径。 在这一议题中,电路板被构建为一个包含 n×m 个方格的矩阵,每个方格能够被界定为可通行或不可通行,其核心任务是定位从初始点到最终点的最短路径。 分支限界算法是处理布线问题的一种常用策略。 该算法与回溯法有相似之处,但存在差异,分支限界法仅需获取满足约束条件的一个最优路径,并按照广度优先或最小成本优先的原则来探索解空间树。 树 T 被构建为子集树或排列树,在探索过程中,每个节点仅被赋予一次成为扩展节点的机会,且会一次性生成其全部子节点。 针对布线问题的解决,队列式分支限界法可以被采用。 从起始位置 a 出发,将其设定为首个扩展节点,并将与该扩展节点相邻且可通行的方格加入至活跃节点队列中,将这些方格标记为 1,即从起始方格 a 到这些方格的距离为 1。 随后,从活跃节点队列中提取队首节点作为下一个扩展节点,并将与当前扩展节点相邻且未标记的方格标记为 2,随后将这些方格存入活跃节点队列。 这一过程将持续进行,直至算法探测到目标方格 b 或活跃节点队列为空。 在实现上述算法时,必须定义一个类 Position 来表征电路板上方格的位置,其成员 row 和 col 分别指示方格所在的行和列。 在方格位置上,布线能够沿右、下、左、上四个方向展开。 这四个方向的移动分别被记为 0、1、2、3。 下述表格中,offset[i].row 和 offset[i].col(i=0,1,2,3)分别提供了沿这四个方向前进 1 步相对于当前方格的相对位移。 在 Java 编程语言中,可以使用维数组...
源码来自:https://pan.quark.cn/s/a4b39357ea24 在VC++开发过程中,对话框(CDialog)作为典型的用户界面组件,承担着与用户进行信息交互的重要角色。 在VS2008SP1的开发环境中,常常需要满足为对话框配置个性化背景图片的需求,以此来优化用户的操作体验。 本案例将系统性地阐述在CDialog框架下如何达成这一功能。 首先,需要在资源设计工具中构建一个新的对话框资源。 具体操作是在Visual Studio平台中,进入资源视图(Resource View)界面,定位到对话框(Dialog)分支,通过右键选择“插入对话框”(Insert Dialog)选项。 完成对话框内控件的布局设计后,对对话框资源进行保存。 随后,将着手进行背景图片的载入工作。 通常有两种主要的技术路径:1. **运用位图控件(CStatic)**:在对话框界面中嵌入一个CStatic控件,并将其属性设置为BST_OWNERDRAW,从而具备自主控制绘制过程的权限。 在对话框的类定义中,需要重写OnPaint()函数,负责调用图片资源并借助CDC对象将其渲染到对话框表面。 此外,必须合理处理WM_CTLCOLORSTATIC消息,确保背景图片的展示不会受到其他界面元素的干扰。 ```cppvoid CMyDialog::OnPaint(){ CPaintDC dc(this); // 生成设备上下文对象 CBitmap bitmap; bitmap.LoadBitmap(IDC_BITMAP_BACKGROUND); // 获取背景图片资源 CDC memDC; memDC.CreateCompatibleDC(&dc); CBitmap* pOldBitmap = m...
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