Кратко и по сути.
Что такое процесс и поток
- Процесс — изолированный экземпляр выполнения: собственное адресное пространство, таблица файловых дескрипторов, ресурсы, идентификатор PID.
- Поток (thread) — единица планирования, выполняемая внутри процесса; несколько потоков в одном процессе разделяют адресное пространство и ресурсы (стек каждого потока отдельный).
- В UNIX-подобных ОС (Linux) модель потоков часто реализована как «легковесные процессы» через системный вызов `clone()`; в практике пользовательские потоки обычно управляются через pthreads (модель 1:1 — каждый pthread соответствует ядру/КП).
Механизм управления (жизненный цикл, планирование, взаимодействие)
- Создание: `fork()` копирует процесс (новый PID); `exec()` заменяет образ процесса; `clone()` / `pthread_create()` создают потоки с общими/отдельными ресурсами.
- Состояния процесса/потока: $\text{running}$, $\text{runnable}$, $\text{sleeping}$, $\text{stopped}$, $\text{zombie}$.
- Планировщик ядра выделяет CPU-кванты, делает контекстные переключения (сохраняет/восстанавливает регистры, стек, ПК).
- Сигналы — асинхронный механизм уведомлений; wait/exit/kill — управление завершением.
- IPC и синхронизация: pipe, socket, shared memory, futex, signals, mutexes/semaphores/condvars.
Различия, вкратце
- Изоляция: у процесса отдельная виртуальная память; у потоков — общая память.
- Создание/переключение: создание процесса дороже; переключение контекста процессов обычно тяжелее (таблица страниц и т. п.).
- Ошибки: краш одного процесса не влияет на другие; краш потока может разрушить весь процесс.
Типичные проблемы синхронизации и гонки данных
- Гонка данных (data race): два потока одновременно читают/записывают общую переменную без синхронизации → непредсказуемый результат. Пример: два потока увеличивают счётчик с начальным значением $0$. Ожидаемое итоговое значение $2$, но из-за «load; increment; store» можно получить $1$.
- Непоследовательность видимости (memory visibility): запись одним потоком может не сразу быть видна другому без соответствующих барьеров/усилий синхронизации.
- Deadlock (взаимная блокировка): классические четыре условия Кофмана — $\text{(1)}$ взаимное исключение, $\text{(2)}$ удержание и ожидание, $\text{(3)}$ отсутствие принудительного вытеснения, $\text{(4)}$ циклическое ожидание.
- Starvation (голодание), priority inversion (инверсия приоритетов) и livelock.
Примитивы синхронизации и их применение
1) Mutex (взаимное исключение)
- Назначение: защищает критическую секцию, обеспечивает взаимное исключение.
- Использование (псевдокод):
lock(m); /* критическая секция */; unlock(m);
- Свойства: обычно не допускает повторного входа (или есть recursive mutex); должен использоваться коротко, чтобы избежать задержек.
2) Semaphore (счётный семафор)
- Операции: $P$ (wait/decrement) и $V$ (signal/increment).
- Binary semaphore (значения $0$ или $1$) похож на mutex, но семафор может быть использован для синхронизации между процессами.
- Пример (producer-consumer с буфером размера $N$):
Инициализация: $empty=N$, $full=0$, mutex = unlocked.
Producer: $P(empty);$ lock(mutex); put_item(); unlock(mutex); $V(full);$
Consumer: $P(full);$ lock(mutex); get_item(); unlock(mutex); $V(empty);$
3) Condition variable (условная переменная)
- Используется для ожидания наступления некоторого условия при защите общим mutex'ом.
- Шаблон:
lock(m); while (!predicate()) pthread_cond_wait(&cv, &m); /* при пробуждении predicate() проверяется снова */; /* использовать состояние */ unlock(m);
- Signal vs broadcast: `signal` просыпает один поток, `broadcast` — всех.
Доп. примитивы и приёмы
- Atomic ops (например, compare-and-swap, fetch-and-add) решают простые гонки без блокировок.
- Futex (fast userspace mutex) в Linux: попытка синхронизации в пространстве пользователя с падением в ядро только при конфликте.
- Стратегии предотвращения deadlock: упорядочивание захватов (lock ordering), использование trylock с обработкой неудач, таймауты, минимизация удержания блокировок.
Короткие рекомендации
- Защищайте общие данные mutex/atomics; используйте condition variables для ожидания событий; семафоры — для подсчёта ресурсов/синхронизации между процессами.
- Держите критические секции как можно короче; избегайте вложенных блокировок или соблюдайте строгое упорядочивание; применяйте статический/динамический анализ гонок и тестирование (helgrind/tsan).
Если нужно — могу привести конкретные примеры кода на C/pthreads с пояснениями.