详解进程同步与互斥机制

什么是进程同步和互斥？

在多进程环境下，多个进程之间共享计算机资源，例如共享内存区域。有时多个进程需要访问同一资源，这时候需要协调它们之间的访问，以免数据出现混乱。

进程同步是指协调多个进程之间的活动以达到一致的状态。进程互斥是指规范多个进程在不同时间访问资源的竞争环境，以防止它们同时访问同一资源而导致不可预测的后果。

进程同步的方法

信号量（Semaphore）

信号量是一种计数器，用于在线程之间控制资源的访问。当一个线程给信号量增加数值时，那么在等待该信号量的线程就可以继续执行。反之，如果线程需要等待该信号量，则会阻塞，直到该信号量增加至非零数值。

示例：使用Python中的multiprocessing库来实现信号量控制。

from multiprocessing import Semaphore, Process
import time

def foo(sem, name):
    sem.acquire()
    print(name, "开始执行...")
    time.sleep(3)
    print(name, "结束执行...")
    sem.release()

sem = Semaphore(2) # 初始化信号量，最多允许2个进程同时执行

for i in range(5):
    Process(target=foo, args=(sem, "进程"+str(i))).start()

以上示例程序中，定义了5个进程，但是信号量只允许2个进程同时执行。因此，前两个进程可以同时执行，后面的3个进程需要等待前面的进程结束。

栅栏（Barrier）

栅栏是一种机制，用于同步进程的执行。当线程到达栅栏时，它会等待其他线程也到达栅栏，当所有线程都到达栅栏时，它们就会同时继续执行。

示例：使用Python中的threading库来实现栅栏同步。

import threading
import time

def foo(barrier, name):
    print(name, "准备就绪...")
    barrier.wait()
    print(name, "开始执行...")
    time.sleep(3)
    print(name, "结束执行...")

barrier = threading.Barrier(3) # 初始化栅栏，等待3个线程

for i in range(3):
    threading.Thread(target=foo, args=(barrier, "线程"+str(i))).start()

以上示例程序中，定义了3个线程，但是栅栏等待的线程数是3。因此，在所有线程准备就绪后，它们才会同时开始执行。

进程互斥的方法

互斥锁（Lock）

互斥锁是一种机制，用于防止多个线程同时访问同一共享资源。当线程需要访问该共享资源时，它会请求该互斥锁，如果该互斥锁已被占用，则线程会等待，直到它成为该互斥锁的独占拥有者。

示例：使用Python中的multiprocessing库来实现互斥锁。

from multiprocessing import Lock, Process
import time

def foo(lock, name):
    lock.acquire()
    print(name, "开始执行...")
    time.sleep(3)
    print(name, "结束执行...")
    lock.release()

lock = Lock() # 初始化互斥锁

for i in range(5):
    Process(target=foo, args=(lock, "进程"+str(i))).start()

以上示例程序中，定义了5个进程，每个进程都会执行一个需要互斥访问的任务。通过互斥锁，只有一个进程可以同时访问该任务。

条件变量（Condition）

条件变量是一种机制，用于在线程之间同步某些事件的状态。当线程需要等待某个状态时，它会阻塞，直到该状态已经满足。一旦状态改变后，其他线程可以唤醒等待该状态的线程。

示例：使用Python中的threading库来实现条件变量。

import threading
import time

def foo(cond, name):
    with cond:
        print(name, "准备就绪...")
        cond.wait()
        print(name, "开始执行...")
        time.sleep(3)
        print(name, "结束执行...")

cond = threading.Condition() # 初始化条件变量

t1 = threading.Thread(target=foo, args=(cond, "线程1"))
t2 = threading.Thread(target=foo, args=(cond, "线程2"))

t1.start()
t2.start()

time.sleep(5) # 等待5秒后唤醒等待状态的线程

with cond:
    cond.notify_all() # 唤醒等待状态的线程

以上示例程序中，定义了2个线程，它们都需要等待一个状态的改变。cond.wait()方法会阻塞线程，直到该状态发生变化。通过with cond:可以进入Condition的上下文管理器，以便可以使用cond.notify_all()方法来唤醒所有等待状态改变的线程。