并发编程基础 Lecture Notes(三)

本文探讨了并发程序设计中常见的问题如忙等及其缺陷、饥饿现象,并介绍了信号量机制及其在生产者消费者问题、哲学家就餐问题、读写者问题等经典场景中的应用。此外,还讨论了资源分配算法。

The flaws of busy waiting:

- processor cycles are wasted reading locks

- can't guarantee fairness

- synchronizing variables look like ordinary variables


Starvation:

如果一个线程始终没有机会获取CPU time,就会starved to death,此时就依赖于fairness来grant a chance for all threads to execute

导致饥饿的三大常见原因:

- 拥有高优先级的线程长期的hog CPU

- 总是被其他的线程抢占进入权

- 总是被其他的线程抢占到对象


Semaphore: it provides a basic signaling mechanism and is used to implement mutual exclusion and conditional synchronization.(A special kind of shared variable that is manipulated only by two atomic operations P and V, the value of which can't be a non-negative integer)

- V, signal the occurrence of an event (increment the value)

- P, delay a process until an event has occurred (wait until the value of semaphore is positive then decrement the value)

Process P[i:1 to n] {

while(true) {

P(s);

CRITICAL SECTION

V(s)

}

}


Examples:

- Producer && Consumer

Message buf[1:n];

sem empty = 1; sem full = 0;

int rear = 1; int front = 1;

sem mutexP = 1; sem mutexC = 1;


Process Producer[i:1 to M] {

while(true) {

produce item;

P(empty);

P(mutexP);

add item to buf[rear];

rear = (rear + 1) % n;

V(mutexP)

V(full);

}

}


Process Consumer[j:1 to N] {

while(true) {

P(full);

P(mutexC)

remove item from buf[front];

front = (front + 1) % n;

V(mutexC)

V(empty);

consume;

}

}



- Dining philosophers

sem fork[5] = {1, 1, 1, 1, 1};

int N = 4;

Process Philosopher[i:1 to N] {

while(true) {

P(fork[i - 1]);

P(fork[(i+1) % N]);

eat;

V((fork[i - 1]);

V(fork[(i+1) % N);   

think;

}

}

以上的代码可能导致死锁,所以可以只允许一次只有一个人就餐:

while(true) {

P(mutex;)

P(fork[i - 1]);

P(fork[(i+1) % N]);

eat;

V((fork[i - 1]);

V(fork[(i+1) % N);   

V(mutex);

think;

}

但是这种方法效率又太低,所以:

while(true) {

if (i%2) {

P(fork[i - 1]);

P(fork[(i+1) % N]);

} else {

P(fork[(i+1) % N]);

P(fork[i - 1]);

}

eat;

V((fork[i - 1]);

V(fork[(i+1) % N);   

think;

}


- The Readers and Writers

可以同时多个读者,任何时候只能有一个写程序

int nr = 0;

sem mutexR = 1;

sem rw = 1;

Process Reader[i:1 to M] {

while(true) {

P(mutexR);

nr = nr + 1;

if(nr == 1)  P(rw);

V(mutexR);

read DB;

P(mutexR);

nr = nr - 1;

if(nr == 0) V(rw);

V(mutexR);

}

}

Process Writer[j:1 to N] {

while(true) {

P(rw);

write DB;

V(rw);

}

}


- Coordination

sem done = 0;

sem startAgain = 0;

Process Worker[i:1 to n] {

while(true) {

do the work;

V(done);

P(startAgain);

do the work again;

}


Process Coordinator  {

while(true) {

for [i = 1 to 4]

P(done);

collect info;

for [i = 1 to 4]

V(startAgain);

}

}


Resource allocation:

sem mutex = 1;

sem b[1:N] = ([N] 0); List L, const int U;


Procedure request(int i, int u) {

p(mutex);

if(u < U) {

U-=u;

u(mutex);

}else{

put req(i, u) to L;

u(mutex);

p(b[i]);

}

}


Procedure release(int i, int u) {

p(mutex);

U+=u;

for each member(i, uuu) in List {

if(uuu < U){

U-=uuu;

remove(i, uuu) from L;

v(b[i]);

}

}

v(mutex);

}


Process:

while(true) {

compute u;

request(i, u);

use the resource;

release(i, u);

}


Reference:

1. the materials of Concurrent && Distributed Systems course

先看效果: https://renmaiwang.cn/s/jkhfz Hue系列产品将具备高度的个性化定制能力,并且借助内置红、蓝、绿原色LED的灯泡,能够混合生成1600万种不同色彩的灯光。 整个操作流程完全由安装于iPhone上的应用程序进行管理。 这一创新举措为智能照明控制领域带来了新的启示,国内相关领域的从业者也积极投身于相关研究。 鉴于Hue产品采用WiFi无线连接方式,而国内WiFi网络尚未全面覆盖,本研究选择应用更为普及的蓝牙技术,通过手机蓝牙与单片机进行数据交互,进而产生可调节占空比的PWM信号,以此来控制LED驱动电路,实现LED的调光功能以及DIY调色方案。 本文重点阐述了一种基于手机蓝牙通信的LED灯设计方案,该方案受到飞利浦Hue智能灯泡的启发,但考虑到国内WiFi网络的覆盖限制,故而选用更为通用的蓝牙技术。 以下为相关技术细节的详尽介绍:1. **智能照明控制系统**:智能照明控制系统允许用户借助手机应用程序实现远程控制照明设备,提供个性化的调光及色彩调整功能。 飞利浦Hue作为行业领先者,通过红、蓝、绿原色LED的混合,能够呈现1600万种颜色,实现了全面的定制化体验。 2. **蓝牙通信技术**:蓝牙技术是一种低成本、短距离的无线传输方案,工作于2.4GHz ISM频段,具备即插即用和强抗干扰能力。 蓝牙协议栈由硬件层和软件层构成,提供通用访问Profile、服务发现应用Profile以及串口Profiles等丰富功能,确保不同设备间的良好互操作性。 3. **脉冲宽度调制调光**:脉冲宽度调制(PWM)是一种高效能的调光方式,通过调节脉冲宽度来控制LED的亮度。 当PWM频率超过200Hz时,人眼无法察觉明显的闪烁现象。 占空比指的...
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