18、并发编程与进程协作的深入解析

并发编程与进程协作的深入解析

1. 进程协作基础

在多进程环境中，当多个进程试图访问相同的共享关键区域时，就会涉及到互斥的概念，这与多个作业访问相同共享物理资源时的互斥需求类似。在并行计算里，由于执行顺序可能改变，互斥必须被明确声明和维护。而在顺序计算中，互斥是自动实现的，因为每个操作是按顺序依次处理的。

1.1 生产者 - 消费者问题

生产者 - 消费者问题是一个经典的进程协作问题。它涉及一个或多个生产者进程生产数据，然后由一个或多个消费者进程消费这些数据。以快餐店为例，厨师（生产者）制作汉堡，打包员（消费者）将汉堡打包，汉堡箱就是一个缓冲区。

这个问题存在两个极端情况：
- 当消费者停止从箱子中取汉堡，导致箱子已满，生产者仍试图添加汉堡时，就会出现问题。
- 当打包员试图从空箱子中取汉堡时，也会出现问题。

为了解决这些问题，需要使用两个计数信号量：一个表示缓冲区中已满位置的数量，另一个表示缓冲区中空闲位置的数量。此外，还需要一个互斥信号量（mutex）来确保进程之间的互斥，防止竞争条件。

当只有一个生产者和一个消费者时，这是一个简单的先进先出（FIFO）问题。但当有多个生产者和消费者时，如果他们都在等待恢复各自的存入和取出操作的通知而暂停，就可能会发生死锁。

1.2 读者 - 写者问题

读者 - 写者问题由 Courtois、Heymans 和 Parnas 在 1971 年提出。当两种类型的进程需要访问共享资源（如文件或数据库）时，就会出现这个问题。读者只读取现有数据，不修改它，因此系统可以允许多个读者同时活动，不需要在他们之间强制执行互斥。而写者