秒杀多线程第十二篇 多线程同步内功心法——PV操作上

本文详细介绍了PV操作的起源、使用方法及其在解决多线程同步互斥问题上的应用。通过放水果和安全岛两个经典案例,演示了如何运用PV操作实现并发进程间的同步与互斥。同时提供了详细的代码示例,帮助读者掌握多线程逻辑思维和强化内功。

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阅读本篇之前推荐阅读以下姊妹篇:

秒杀多线程第四篇一个经典的多线程同步问题

秒杀多线程第五篇经典线程同步关键段CS

秒杀多线程第六篇经典线程同步事件Event

秒杀多线程第七篇经典线程同步互斥量Mutex

秒杀多线程第八篇经典线程同步信号量Semaphore

秒杀多线程第九篇经典线程同步总结关键段事件互斥量信号量

秒杀多线程第十篇生产者消费者问题

秒杀多线程第十一篇读者写者问题

上面的文章讲解了在Windows系统下实现多线程同步互斥的方法,为了提高在实际问题中分析和思考多个线程之间同步互斥问题的能力,接下来将讲解PV操作,这也是操作系统中的重点和难点。本文将会先简要介绍下PV操作的来源和基本使用方法,然后再通过两道经典的计算机考研真题——放水果和安全岛来示范如何运用PV操作。

先讲讲PV操作的起源和用法。

1962年,荷兰学者Dijksrta在参与X8计算机的开发中设计并实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。为了解决这个操作系统中进程(线程)的同步与互斥问题,他巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”(semaphore,或叫“信号量”)概念加以解决。信号的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意,这个信号的值仅能由PV操作来改变。

PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语也叫原子操作Atomic Operation,是不可中断的过程),对信号量(注意不要和Windows中的信号量机制相混淆)进行操作,具体定义如下:

P(S)

①将信号量S的值减1,即S=S-1

②如果S>=0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态。

V(S)

①将信号量S的值加1,即S=S+1

②该进程继续执行;如果该信号的等待队列中有等待进程就唤醒一等待进程。

PV操作实现多线程的同步与互斥是非常简单的,只要考虑逻辑处理上合理严密而不用考虑具体技术细节,因此与写伪代码较为相似。比如有多个进程P1P2、 ……PN。它们要互斥的访问一个资源。用PV操作来实现就非常方便直观。下面是PV操作代码:

设置信号量为S,初值为1。各进程的操作流程如下:

进程P1 进程P2 …… 进程Pn

PS); PS); PS);

访问资源;访问资源; 访问资源;

VS); VS); VS);

可以看出PV操作会忽略具体的编程细节,让程序员的主要精力放在线程同步互斥的逻辑处理上。因此,通过练习PV操作能快速有效提高程序员对多线程的逻辑思维能力,达到强化“内功”的目的

接下来就来几道简单的计算机考研真题。

第一题 放水果 南京大学计算机考研真题

桌上有一空盘,允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果,也可向盘中放桔子,儿子专等吃盘中的桔子,女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用,请用PV原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

这个题目涉及的东西非常之多,光人物就有三个再加水果,盘子等等,确实让人感觉好像无从下手。但不管题目如何变,只要牢牢的抓住同步和互斥来分析问题就必定能迎刃而解。

下面先考虑同步情况即所有“等待”情况:

第一.爸爸要等待盘子为空。

第二.儿子要等待盘中水果是桔子。

第三.女儿要等待盘中水果是苹果。

接下来来考虑要互斥处理的资源,看起来盘子好像是要作互斥处理的,但由于题目中的爸爸、儿子、女儿均只有一个,并且他们访问盘子的条件都不一样,所以他们根本不会同时去访问盘子,因此盘子也就不用作互斥处理了。分析至些,这个题目已经没有难度了,下面用PV原语给出答案:

先设置三个信号量,信号量Orange表示盘中有桔子,初值为0。信号量Apple表示盘中有桔子,初值为0。信号量EmptyDish表示盘子为空,初值为1。三个人的操作流程如下所示:

1.爸爸

P(EmptyDish)

if (rand()%2==0)

{

放桔子

V(Orange)

}

else

{

放苹果

V(Apple)

}

2.儿子

P(Orange)

取桔子

V(EmptyDish)

3.女儿

P(Apple)

取苹果

V(EmptyDish)

第二题 安全岛 南开大学考研真题

在南开大学至天津大学间有一条弯曲的路,每次只允许一辆自行车通过,但中间有小的安全岛M(同时允许两辆车),可供两辆车在已进入两端小车错车,设计算法并使用PV实现。

这个问题应该如何考虑了?同样只要牢牢的抓住同步和互斥来分析问题就必定能迎刃而解。

考虑所有“等待”情况:

在路口N准备从NT的人应该什么时候进入了?如果他只判断道路K上有没有人肯定是不行的,因为如果安全岛M上已经有2个人,那么路口N和路口T再各进一人,肯定会造成死锁。因此可以这样——在路口N准备从NT的人要等待与他同方向的人已经到达T,如果此人已经到达T,且道路K上没有人,他必定可以上路了。同理在路口T准备从TN的人也应该这样做。

再考虑互斥情况:

路上每次只允许一辆自行车通过,所以道路是需要作互斥处理的。

分析之后,下面就用PV原语给出答案(考研辅导书上的答案):

设置信号量NT表示在路口N且从NT方向上允许出发的自行车数量,初值为1。信号量TN表示在路口T且从TN方向上允许出发的自行车数量,初值为1。信号量KL表示道路,初值均为1。这样从NT的车和从TN的车的行驶流程如下:

NT的车 TN的车

P(NT) P(TN)

P(K) P(L)

由N到M由T到M

V(K)V(L)

P(L)P(K)

由M到T由M到T

V(L)V(K)

V(NT)V(TN)

这个题目的解法有很多,比如还可以用信号量M来记录安全岛M上空位个数,初值为2。每个进入道路前的人都要先预订安全岛上的空位,订到后再互斥的进入道路。否则就要等待安全岛上有空位。信号量KL表示道路,初值均为1。然后从NT的车和从TN的车的行驶流程如下:

NT的车 TN的车

P(M) P(M)

P(K)P(L)

由N到M由T到M

V(K)V(L)

P(L)P(K)

V(M)V(M)

由M到T由M到T

V(L)V(K)

这种解决方法也是不会造成死锁的。安全岛的解法非常之多,网上还有不少不同的解法,有兴趣的童鞋可以搜索一下。

下一篇《秒杀多线程第十三篇多线程同步内功心法——PV操作下》将讲解更难的一道PV操作题,欢迎大家参阅。

转载请标明出处,原文地址:http://blog.youkuaiyun.com/morewindows/article/details/7650470

<think>嗯,用户让我详细介绍Redis的详细使用说明。首先,我需要确定用户的需求是什么。可能他们是一个开发者,刚开始接触Redis,或者想深入了解它的高级功能。接下来,我应该从基础开始,逐步深入,覆盖主要功能和常见使用场景。 首先,Redis是什么?它是一个内存数据结构存储,支持多种数据结构,比如字符串、哈希、列表等等。需要解释它的主要特点,比如高性能、持久化、支持事务和发布订阅等。然后,可能需要分几个部分来介绍:安装配置、数据结构、持久化、集群、应用场景等等。 安装部分,可能需要给出不同操作系统的安装步骤,比如Ubuntu用apt-get,CentOS用yum,macOS用Homebrew。然后基本命令,比如启动服务端和客户端,还有常用的配置项,比如端口、持久化设置。 数据结构是Redis的核心,每个结构都需要详细说明,比如字符串的常用命令set、get,哈希的hset、hget,列表的lpush、rpop,集合的交并差操作,有序集合的排序,还有位图和地理空间这些高级结构。需要给出每个数据结构的典型使用场景,比如缓存、计数器、消息队列等。 持久化部分,用户可能会关心RDB和AOF的区别,以及如何配置。需要解释两者的优缺点,比如RDB适合备份,AOF更安全但可能更慢。事务和Lua脚本也是重要部分,说明事务的执行方式和注意事项,比如没有回滚,以及Lua脚本的原子性。 集群和高可用方面,主从复制、哨兵、Cluster模式需要介绍,特别是Cluster的自动分片和故障转移。性能优化部分,内存管理和批量操作是关键,比如使用Pipeline减少网络延迟,避免大键等。 应用场景要具体,比如缓存、会话存储、排行榜、消息队列,这些例子帮助用户理解如何在实际项目中使用Redis。安全性方面,密码认证和网络隔离也是必须提到的。 最后,注意事项部分,内存不足的问题,持久化数据安全,以及集群配置的复杂性,都是用户可能遇到的挑战。需要提醒他们根据需求选择合适的策略。 可能用户没有明说的需求是,他们可能在设计系统时需要选择合适的技术栈,或者遇到了性能问题想优化。所以除了基本介绍,还需要强调最佳实践和常见陷阱,比如避免大键、合理选择数据结构。另外,安全性容易被忽视,特别是生产环中设置密码的重要性。 总之,结构需要清晰,由浅入深,覆盖基础到高级内容,同时结合实际例子,帮助用户更好地理解和应用Redis。可能还需要检查是否有最新的Redis版本更新内容,确保信息准确。比如最新版本是否引入了新数据结构或命令,但目前考虑用户可能使用的是较常见版本,所以先覆盖主流功能。以下</think>是对 **Redis** 的详细介绍和使用说明,内容涵盖核心概念、使用场景、数据结构及操作指南等: --- ### **1. Redis 简介** Redis(**Re**mote **Di**ctionary **S**ervice)是一个开源的 **内存数据结构存储系统**,支持多种数据结构(如字符串、哈希、列表等),常用于缓存、消息队列、实时数据处理等场景。其特点包括: - **高性能**:数据存储在内存中,读写速度极快(微秒级响应)。 - **持久化**:支持 RDB(快照)和 AOF(追加日志)两种持久化方式。 - **高可用**:通过哨兵(Sentinel)和集群(Cluster)模式实现故障转移和扩展。 - **多数据结构**:支持字符串、列表、哈希、集合、有序集合等。 --- ### **2. 安装启动** #### **安装 Redis** - **Linux (Ubuntu/Debian)**: ```bash sudo apt-get install redis-server ``` - **macOS**: ```bash brew install redis ``` - **Windows**:官方不支持原生版本,可通过 WSL 或 Docker 运行。 #### **启动 Redis** - **启动服务端**: ```bash redis-server ``` - **启动客户端**: ```bash redis-cli ``` #### **基本配置** 配置文件通常位于 `/etc/redis/redis.conf`,常用配置项: - `port 6379`:默认端口号。 - `bind 127.0.0.1`:绑定 IP。 - `save 60 1000`:60 秒内有 1000 次修改则触发 RDB 持久化。 - `appendonly yes`:启用 AOF 持久化。 --- ### **3. 核心数据结构操作** #### **(1) 字符串(String)** - **用途**:缓存、计数器、分布式锁。 - **常用命令**: ```bash SET key value # 设置值 GET key # 获取值 INCR key # 自增计数器 EXPIRE key 60 # 设置过期时间(秒) ``` #### **(2) 哈希(Hash)** - **用途**:存储对象(如用户信息)。 - **常用命令**: ```bash HSET user:1 name "Alice" age 30 # 设置字段 HGET user:1 name # 获取字段值 HGETALL user:1 # 获取所有字段 ``` #### **(3) 列表(List)** - **用途**:消息队列、最新动态。 - **常用命令**: ```bash LPUSH queue task1 # 左侧插入元素 RPOP queue # 右侧弹出元素 LRANGE queue 0 -1 # 获取全部元素 ``` #### **(4) 集合(Set)** - **用途**:标签、好友关系、去重。 - **常用命令**: ```bash SADD tags "redis" "db" # 添加元素 SMEMBERS tags # 获取所有元素 SINTER set1 set2 # 求交集 ``` #### **(5) 有序集合(Sorted Set)** - **用途**:排行榜、优先级队列。 - **常用命令**: ```bash ZADD rank 100 "user1" # 添加带分数的元素 ZRANGE rank 0 -1 WITHSCORES # 按分数升序获取 ZREVRANGE rank 0 10 # 按分数降序获取前10 ``` #### **(6) 其他数据结构** - **位图(Bitmap)**:用于二值统计(如每日签到)。 - **HyperLogLog**:基数统计(如 UV 去重)。 - **地理空间(GEO)**:存储经纬度,支持距离计算。 --- ### **4. 持久化高可用** #### **(1) 持久化方式** - **RDB**:定期生成数据快照,恢复速度快,但可能丢失部分数据。 - **AOF**:记录所有写操作命令,数据更安全,但文件较大。 #### **(2) 主从复制** 配置从节点同步主节点数据: ```bash # 在从节点配置文件中添加: replicaof <master-ip> <master-port> ``` #### **(3) 哨兵模式(Sentinel)** 实现自动故障转移: ```bash # 哨兵配置文件 sentinel.conf sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2 sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000 ``` #### **(4) 集群模式(Cluster)** 分片存储数据,支持横向扩展: ```bash # 创建集群(至少3主3从) redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7000 127.0.0.1:7001 ... ``` --- ### **5. 典型应用场景** - **缓存加速**:缓存数据库查询结果,降低后端负载。 - **会话存储(Session Store)**:集中管理用户会话。 - **排行榜**:使用有序集合实时更新排名。 - **消息队列**:通过列表或 Stream 数据结构实现。 - **分布式锁**:通过 `SET key value NX EX` 实现互斥锁。 --- ### **6. 性能优化注意事项** - **内存管理**:监控内存使用,避免 OOM(`maxmemory` 配置)。 - **Pipeline 批量操作**:减少网络往返次数。 - **避免大 Key**:单个 Key 的 Value 不宜过大(如超过 10KB)。 - **合理选择数据结构**:例如用 Hash 代替多个 String 存储对象。 --- ### **7. 安全性** - **密码认证**:在配置文件中设置 `requirepass yourpassword`。 - **禁用危险命令**:禁止使用 `FLUSHALL`、`CONFIG` 等。 - **网络隔离**:通过防火墙限制访问 IP。 --- ### **8. 常见问题** - **缓存穿透**:使用布隆过滤器或缓存空值。 - **缓存雪崩**:设置随机过期时间,保证高可用架构。 - **数据一致性**:结合数据库的 Binlog 或延迟双删策略。 --- 通过以上内容,可以全面掌握 Redis 的核心功能和使用技巧。实际应用中需根据场景选择合适的数据结构和架构模式。
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