《并發(fā)控制改》課件

并發(fā)控制并發(fā)控制是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個重要概念，用于管理多個進(jìn)程或線程同時訪問共享資源時的沖突問題。什么是并發(fā)控制協(xié)調(diào)訪問多個用戶或線程同時訪問共享資源，避免數(shù)據(jù)沖突。資源共享允許多個用戶或線程同時訪問相同的資源，提高資源利用率。數(shù)據(jù)一致性確保數(shù)據(jù)完整性，避免數(shù)據(jù)被損壞或不一致。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中常見問題，如數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)沖突等。并發(fā)控制的重要性1數(shù)據(jù)一致性確保多個用戶同時訪問共享數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)保持一致性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或不一致的情況。2系統(tǒng)可靠性防止數(shù)據(jù)沖突，維護(hù)數(shù)據(jù)完整性，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性。3性能優(yōu)化通過有效地管理并發(fā)訪問，可以提高系統(tǒng)吞吐量，并優(yōu)化系統(tǒng)性能。4資源利用率避免資源競爭和死鎖，提高資源利用率，降低資源浪費(fèi)。并發(fā)控制的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)一致性多個線程同時訪問共享數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。例如，多個線程同時修改同一個銀行賬戶余額，最終余額可能與實(shí)際不符。性能損耗并發(fā)控制機(jī)制本身會帶來一定的性能開銷，例如鎖機(jī)制會降低程序執(zhí)行速度。在高并發(fā)場景下，性能損耗會變得更加明顯。死鎖問題多個線程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致程序無法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖問題難以調(diào)試和解決，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。復(fù)雜性并發(fā)控制機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，需要開發(fā)者深入理解并發(fā)編程原理和相關(guān)技術(shù)才能有效地解決并發(fā)問題。并發(fā)控制策略概覽并發(fā)控制策略確保多個進(jìn)程或線程同時訪問共享資源時數(shù)據(jù)的完整性和一致性。主要分為兩類：悲觀并發(fā)控制和樂觀并發(fā)控制。悲觀并發(fā)控制采取預(yù)防措施，如加鎖，以阻止?jié)撛跊_突。樂觀并發(fā)控制則假設(shè)沖突發(fā)生的概率很低，僅在提交事務(wù)前檢查沖突。選擇合適的策略取決于應(yīng)用場景和性能要求。鎖機(jī)制排他鎖一個線程獲得排他鎖后，其他線程無法訪問該資源。共享鎖多個線程可以同時獲得共享鎖，并訪問資源。讀鎖允許多個線程同時讀取資源，但不能修改資源。寫鎖一次只能有一個線程獲得寫鎖，并修改資源。鎖的類型悲觀鎖悲觀鎖是一種保守的并發(fā)控制機(jī)制。它假設(shè)并發(fā)沖突可能發(fā)生，因此在訪問數(shù)據(jù)前會獲取鎖。樂觀鎖樂觀鎖假設(shè)并發(fā)沖突很少發(fā)生，因此在訪問數(shù)據(jù)前不會獲取鎖。在提交數(shù)據(jù)時檢查沖突，如果發(fā)生沖突則進(jìn)行重試或回滾。共享鎖共享鎖允許多個事務(wù)同時讀取數(shù)據(jù)，但禁止任何事務(wù)修改數(shù)據(jù)。排他鎖排他鎖只允許一個事務(wù)訪問數(shù)據(jù)，不允許其他事務(wù)讀取或修改數(shù)據(jù)。鎖的使用原則最小粒度原則鎖定的范圍越小，并發(fā)性越高。最短持有時間原則獲取鎖后應(yīng)盡快釋放，避免長時間占用。鎖順序原則多個鎖必須按照固定順序獲取和釋放，防止死鎖。死鎖11.互相等待多個線程互相等待對方釋放資源才能繼續(xù)執(zhí)行，陷入僵局。22.資源有限性系統(tǒng)中可用的資源數(shù)量不足以滿足所有線程的需求。33.占有并等待線程已經(jīng)占有資源，但又等待其他資源，導(dǎo)致無法釋放已經(jīng)持有的資源。44.不可剝奪線程已經(jīng)獲得的資源，在沒有完成任務(wù)之前，不能被其他線程強(qiáng)行奪走。死鎖的4個必要條件死鎖發(fā)生需要滿足四個必要條件：互斥條件資源不能被多個線程同時使用占有且等待條件線程已持有至少一個資源，但需要請求其他資源，同時又阻塞等待不可搶占條件線程無法強(qiáng)行從其他線程手中搶占資源循環(huán)等待條件存在一個循環(huán)等待鏈，每個線程都持有另一個線程所需的資源死鎖的預(yù)防措施破壞互斥條件某些資源不必是互斥的，例如，打印機(jī)可以被多個進(jìn)程同時使用。破壞占有且等待條件不允許進(jìn)程在獲得某些資源后，又申請其他資源。破壞循環(huán)等待條件為所有資源分配一個唯一的編號，并規(guī)定進(jìn)程必須按編號遞增的順序申請資源。活鎖定義活鎖是指兩個或多個線程或進(jìn)程因互相等待而無法繼續(xù)執(zhí)行，但并非像死鎖一樣完全阻塞，而是反復(fù)嘗試，但始終無法獲得資源。特點(diǎn)活鎖并非完全阻塞，而是反復(fù)嘗試，但始終無法獲得資源?；铈i發(fā)生時，系統(tǒng)仍處于活躍狀態(tài)，但沒有任何進(jìn)展?；铈i的成因及預(yù)防競爭資源多個線程反復(fù)嘗試獲取資源，但始終無法獲得，導(dǎo)致線程處于持續(xù)等待狀態(tài)。錯誤的條件判斷線程在判斷條件時出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致無法滿足條件，從而陷入循環(huán)等待。隨機(jī)延時線程在等待資源時使用隨機(jī)延時，導(dǎo)致多個線程相互等待，無法完成操作。事務(wù)數(shù)據(jù)庫操作的邏輯單元事務(wù)是一系列數(shù)據(jù)庫操作的集合，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。它保證了數(shù)據(jù)的一致性和完整性，即使在發(fā)生錯誤的情況下。事務(wù)的特性原子性（Atomicity）一致性（Consistency）隔離性（Isolation）持久性（Durability）事務(wù)的ACID屬性事務(wù)的ACID屬性是保證數(shù)據(jù)庫一致性和可靠性的核心原則。ACID是原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）和持久性（Durability）的縮寫。原子性：事務(wù)是一個不可分割的整體，要么全部執(zhí)行成功，要么全部失敗。一致性：事務(wù)執(zhí)行前后，數(shù)據(jù)庫必須保持一致狀態(tài)。隔離性：多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時，彼此之間相互隔離，不會相互干擾。持久性：事務(wù)一旦提交，其結(jié)果將永久保存，即使系統(tǒng)崩潰也不會丟失。并發(fā)事務(wù)問題數(shù)據(jù)丟失多個事務(wù)同時訪問共享資源，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。臟讀一個事務(wù)讀取了另一個事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。不可重復(fù)讀一個事務(wù)在兩次讀取同一數(shù)據(jù)時，由于其他事務(wù)的更新，得到的結(jié)果不一致。幻讀一個事務(wù)在兩次讀取同一數(shù)據(jù)時，由于其他事務(wù)的插入或刪除，導(dǎo)致結(jié)果集中出現(xiàn)了幻影行。事務(wù)的隔離級別隔離級別隔離級別決定了多個事務(wù)之間如何相互影響。讀未提交一個事務(wù)可以讀取另一個事務(wù)尚未提交的數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致臟讀。讀已提交一個事務(wù)只能讀取另一個事務(wù)已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)，避免臟讀，但可能出現(xiàn)不可重復(fù)讀。可重復(fù)讀在一個事務(wù)中多次讀取相同數(shù)據(jù)，結(jié)果一致，避免不可重復(fù)讀，但可能出現(xiàn)幻讀。可串行化11.保證一致性可串行化保證多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行的結(jié)果與按順序執(zhí)行的結(jié)果一致，即使每個事務(wù)都包含多個操作。22.順序執(zhí)行等效可串行化事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果與某個順序的串行執(zhí)行相同，避免了并發(fā)帶來的不一致性。33.高開銷可串行化需要進(jìn)行嚴(yán)格的鎖管理，開銷比較大，但在一致性要求高的場景下非常重要。兩階段鎖定協(xié)議1增長階段事務(wù)獲取所有需要的鎖。2釋放階段事務(wù)釋放所有持有的鎖。3串行化確保事務(wù)執(zhí)行的順序。兩階段鎖定協(xié)議是一種常用的并發(fā)控制技術(shù)，它將事務(wù)的執(zhí)行分為兩個階段：增長階段和釋放階段。在增長階段，事務(wù)會獲取所有需要的鎖，并在釋放階段釋放所有持有的鎖。這種機(jī)制可以保證事務(wù)執(zhí)行的順序，從而確保數(shù)據(jù)的一致性。樂觀并發(fā)控制基于假設(shè)樂觀并發(fā)控制假設(shè)沖突發(fā)生的概率很低，因此在執(zhí)行操作之前不會進(jìn)行鎖定。執(zhí)行操作執(zhí)行操作時，系統(tǒng)會進(jìn)行沖突檢測，如果發(fā)生沖突，則回滾操作并重新嘗試。提高性能樂觀并發(fā)控制避免了鎖定操作，從而提高了并發(fā)性能。適用場景適用于沖突概率較低，但需要高并發(fā)性能的場景，例如電子商務(wù)網(wǎng)站的購物車。悲觀并發(fā)控制假設(shè)沖突悲觀并發(fā)控制假設(shè)數(shù)據(jù)沖突很可能發(fā)生。鎖定資源在操作數(shù)據(jù)之前，先獲取鎖，防止其他事務(wù)訪問。限制并發(fā)悲觀并發(fā)控制會降低并發(fā)度，但能保證數(shù)據(jù)一致性。并發(fā)控制技術(shù)對比1鎖機(jī)制最常用，易于理解，易于實(shí)現(xiàn)2樂觀并發(fā)控制適合讀多寫少場景，性能更高3兩階段鎖定協(xié)議確保事務(wù)可串行化，適用于高并發(fā)場景總結(jié)并發(fā)控制的本質(zhì)資源共享并發(fā)控制的核心在于協(xié)調(diào)多個用戶或線程對共享資源的訪問。數(shù)據(jù)一致性并發(fā)控制的目標(biāo)是確保在多個用戶或線程同時訪問數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)始終保持一致性。并發(fā)效率并發(fā)控制旨在通過高效的資源管理，提高系統(tǒng)性能和吞吐量。并發(fā)編程的最佳實(shí)踐充分利用多核處理器通過線程池管理線程，減少線程創(chuàng)建和銷毀的開銷，提高程序效率。利用多線程來執(zhí)行耗時的操作，例如I/O操作或復(fù)雜計(jì)算。使用同步機(jī)制鎖機(jī)制確保數(shù)據(jù)的一致性，避免競爭條件和數(shù)據(jù)損壞。選擇合適的同步機(jī)制，例如mutex、semaphore、conditionvariable，確保線程之間的協(xié)作安全有效。并發(fā)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢11.分布式并發(fā)控制分布式數(shù)據(jù)庫和云計(jì)算的興起，需要更加復(fù)雜和高效的并發(fā)控制機(jī)制。22.基于人工智能的并發(fā)控制人工智能技術(shù)可以用于預(yù)測并發(fā)沖突，提高并發(fā)控制的效率和準(zhǔn)確性。33.更細(xì)粒度的并發(fā)控制未來將更加關(guān)注更細(xì)粒度的并發(fā)控制，以支持更復(fù)雜的并發(fā)操作。44.可擴(kuò)展性和高可用性并發(fā)控制技術(shù)將需要更高的可擴(kuò)展性和高可用性，以應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)量和并發(fā)請求。相關(guān)拓展閱讀深入淺出并發(fā)控制深入探討并發(fā)控制的理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，幫助您理解并發(fā)編程的復(fù)雜性。并發(fā)控制技術(shù)博客關(guān)注最新的并發(fā)控制技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用案例，獲取最新信息和前沿見解。在線課程學(xué)習(xí)專業(yè)的并發(fā)控制課程，鞏固您的理論知識和實(shí)踐技能，提升您的編程水平。問答環(huán)節(jié)歡迎大家積極提問！我們會盡力解答您的疑問。您的問題有助于我們更好地理解您的需求。課程總結(jié)并發(fā)控制的重要性并發(fā)控制是構(gòu)建可靠、高效軟件系統(tǒng)的重要基石，保證數(shù)據(jù)一致性，提