Синхронизация и состояния гонки

Когда несколько потоков обращаются к общим ресурсам, могут возникать состояния гонки, приводящие к непредсказуемым результатам.

В этом уроке Вы узнаете:

• Что такое состояния гонки и как они возникают.
• Как использовать мьютексы для предотвращения состояний гонки.
• Как семафоры помогают управлять общими ресурсами.

Состояние гонки возникает, когда несколько потоков одновременно обращаются к общим данным, что приводит к непредсказуемому поведению.

Пример:

• Два потока пытаются обновить глобальный счётчик.
• Итоговое значение может оказаться неверным из-за взаимного вмешательства.

Эта программа демонстрирует состояние гонки, при котором несколько потоков изменяют общую переменную.

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;

void *incrementCounter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        counter++;
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, incrementCounter, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, incrementCounter, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("Final counter value: %d\n", counter);
    return 0;
}

Мьютекс (взаимное исключение) гарантирует, что одновременно ресурс доступен только одному потоку.

Функции работы с мьютексом:

• pthread_mutex_init() — инициализирует мьютекс.
• pthread_mutex_lock() — блокирует мьютекс.
• pthread_mutex_unlock() — разблокирует мьютекс.
• pthread_mutex_destroy() — уничтожает мьютекс.

Эта программа устраняет состояние гонки, используя мьютекс для управления доступом к общему счётчику.

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;
pthread_mutex_t lock;

void *incrementCounter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    pthread_create(&t1, NULL, incrementCounter, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, incrementCounter, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    printf("Final counter value: %d\n", counter);
    return 0;
}

Семафор — это счётчик, используемый для управления доступом к ресурсам.

Основные функции:

• sem_init() — инициализирует семафор.
• sem_wait() — уменьшает значение семафора.
• sem_post() — увеличивает значение семафора.
• sem_destroy() — уничтожает семафор.

Эта программа использует семафор для управления доступом к общему ресурсу.

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

sem_t sem;

void *task(void *arg) {
    sem_wait(&sem);
    printf("Thread %d is executing\n", *(int *)arg);
    sem_post(&sem);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    int id1 = 1, id2 = 2;
    sem_init(&sem, 0, 1);
    pthread_create(&t1, NULL, task, &id1);
    pthread_create(&t2, NULL, task, &id2);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

Чтобы избежать состояний гонки:

• Используйте мьютексы для защиты общих переменных.
• Используйте семафоры для управления ресурсами.
• По возможности сокращайте использование общих ресурсов.

В этом уроке Вы узнали:

• Что такое состояния гонки и как они возникают.
• Как использовать мьютексы для предотвращения состояний гонки.
• Как семафоры помогают управлять доступом к общим ресурсам.

На этом завершается раздел «Многопоточность и параллелизм в C»!