Linux의 동기화 및 상호 배제 메커니즘

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동기화

동기화 메커니즘은 여러 실행 스레드 또는 프로세스의 실행을 조정하여 특정 순서로 실행되거나 특정 조건에서 대기하도록 하는 프로세스입니다. 일반적인 동기화 메커니즘에는 세마포어, 조건 변수, 장벽 등이 포함됩니다.

디자인 원칙

1. 원자적 연산: 원자적 연산은 분할할 수 없는 연산을 의미하며 모두 실행되거나 전혀 실행되지 않습니다. 동기화에서 원자적 작업은 스레드나 프로세스의 안전한 실행을 보장하는 필수 요소입니다.

2. 상호 배제: 동기화의 주요 목표는 공유 리소스에 대한 상호 배타적 액세스를 보장하는 것입니다. 즉, 경쟁 조건을 피하기 위해 하나의 스레드 또는 프로세스만 동시에 공유 리소스에 액세스할 수 있습니다.

3. 조건 대기: 동기화 메커니즘은 일반적으로 조건부 대기를 지원해야 합니다. 즉, 스레드나 프로세스는 특정 조건이 충족될 때까지 기다리고, 다른 스레드나 프로세스는 조건이 충족될 때 실행을 계속하도록 대기 스레드에 알립니다. 사이의 스레드 구현 조정.

4. 순서 보존: 동기화에는 스레드 또는 프로세스가 예상 순서대로 실행되도록 실행 순서 제어가 포함될 수도 있으며 이를 통해 프로그램의 정확성과 신뢰성이 보장됩니다.

Linux에서 구현

• 세마포: 세마포를 통해 제한된 수의 스레드 또는 프로세스만 동시에 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 리소스를 계산할 수 있습니다. Linux에서는 일반적으로 sem_init、sem_wait 和 sem_post와 같은 함수를 사용하여 세마포어를 작동합니다.
• 조건 변수: 조건 변수를 사용하면 스레드가 특정 조건이 충족될 때까지 대기하고 조건이 충족되면 실행을 계속하라는 알림을 받을 수 있습니다. Linux에서 조건 변수는 일반적으로 pthread_cond_init、pthread_cond_wait 和 pthread_cond_signal와 같은 함수를 사용하여 조작됩니다.

뮤텍스

상호 배제는 공유 리소스에 대한 상호 배타적 액세스를 보장하는 데 사용되는 메커니즘입니다. 다중 스레드 또는 다중 프로세스 환경에서 뮤텍스 잠금은 가장 일반적인 상호 배제 메커니즘입니다.

디자인 원칙

1. 뮤텍스 잠금: 뮤텍스 잠금은 동시에 하나의 스레드만 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 하는 데 사용되는 잠금입니다. 한 스레드가 뮤텍스 잠금을 획득하면 다른 스레드는 기다려야 합니다.
2. Critical 섹션: 중요한 섹션은 공유 리소스에 액세스할 수 있는 코드 섹션이며 동시에 하나의 스레드만 들어갈 수 있습니다. 중요한 섹션을 보호하기 위해 뮤텍스 잠금이 자주 사용됩니다.
3. 교착 상태 회피: 뮤텍스 메커니즘을 설계할 때 뮤텍스 잠금 사용으로 인해 시스템이 완화되지 않은 대기 상태에 빠지지 않도록 교착 상태 회피를 고려해야 합니다.

Linux에서 구현

• Mutex: Linux에서 mutex 잠금은 일반적으로 pthread_mutex_init、pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock와 같은 기능을 통해 작동됩니다. 이를 통해 스레드가 중요한 섹션에 안전하게 들어가고 나갈 수 있습니다.
• 스핀락: 스핀락은 CPU를 포기하지 않고 뮤텍스를 기다리는 동안 루프를 계속 확인하는 잠금입니다. Linux에서 스핀록은 일반적으로 spin_lock 和 spin_unlock를 통해 작동됩니다.

위는 Linux에서 동기화 및 상호 배제를 달성하기 위한 몇 가지 일반적인 메커니즘입니다. 구체적인 선택은 애플리케이션의 요구 사항과 성능과 유지 관리 가능성 간의 균형에 따라 달라집니다.

아래 샘플 코드에서는 뮤텍스와 조건 변수를 사용하여 간단한 동기화 메커니즘을 구현하는 방법을 보여 드리겠습니다. POSIX 스레드 라이브러리의 관련 기능이 여기에서 사용됩니다.

#include 
#include 
#include 

#define BUFFER_SIZE 5

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_producer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_consumer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *producer(void *arg) {
    for (int i = 0; i while (count == BUFFER_SIZE) {
            // 缓冲区满，等待消费者消费
            pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
        }

        buffer[count++] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);

        // 通知消费者可以消费了
        pthread_cond_signal(&cond_consumer);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

void *consumer(void *arg) {
    for (int i = 0; i while (count == 0) {
            // 缓冲区空，等待生产者生产
            pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);
        }

        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d\n", item);

        // 通知生产者可以生产了
        pthread_cond_signal(&cond_producer);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    // 销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond_producer);
    pthread_cond_destroy(&cond_consumer);

    return 0;
}

这个简单的示例演示了一个生产者-消费者问题，其中生产者线程负责往缓冲区中生产数据，而消费者线程负责从缓冲区中消费数据。互斥锁 mutex 用于确保对共享资源的互斥访问，而条件变量 cond_producer 和 cond_consumer 用于在缓冲区满或空时进行等待和通知。

请注意，实际应用中的同步和互斥可能更加复杂，具体的设计取决于应用的需求。

下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用 Linux 中的 pthread_mutex_t 来实现互斥锁。这个示例中，两个线程共享一个计数器，通过互斥锁确保对计数器的互斥访问。

#include 
#include 

// 共享的计数器
int counter = 0;

// 互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 线程函数，增加计数器的值
void* increment_counter(void* arg) {
    for (int i = 0; i main() {
    // 创建两个线程
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, increment_counter, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, increment_counter, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    // 输出最终的计数器值
    printf("Final Counter Value: %d\n", counter);

    return 0;
}

在这个例子中，两个线程并发地增加 counter 变量的值。由于两个线程共享同一个变量，存在竞争条件。互斥锁 mutex 用来确保对 counter 的互斥访问，一个线程在访问 counter 时先上锁，完成后再解锁，这样另一个线程才能进入。

要使用互斥锁，需要注意以下几点：

1. 뮤텍스 초기화: PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 或者 pthread_mutex_init를 사용하여 뮤텍스를 초기화합니다.
2. 잠금 및 잠금 해제: pthread_mutex_lock 来上锁，使用 pthread_mutex_unlock를 사용하여 잠금을 해제하세요. 중요 섹션 내의 공유 리소스에 대한 액세스는 잠금과 잠금 해제 사이에 있어야 합니다.
3. 뮤텍스 삭제: 더 이상 필요하지 않은 뮤텍스를 삭제하려면 pthread_mutex_destroy를 사용하세요.

위 코드는 공유 리소스에 대한 안전한 액세스를 보장하고 경합 상태를 방지하기 위해 뮤텍스 잠금을 사용하는 방법을 보여줍니다.

위 내용은 Linux의 동기화 및 상호 배제 메커니즘의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!