การแยกออกร่วมกันเป็นหลักการในการคำนวณพร้อมกันที่ทำให้แน่ใจว่ากระบวนการตั้งแต่สองกระบวนการขึ้นไปไม่เข้าถึงทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันหรือส่วนสำคัญของโปรแกรมพร้อมกัน ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีเพียงกระบวนการเดียวในแต่ละครั้งเท่านั้นที่สามารถดำเนินการส่วนที่สำคัญหรือจัดการข้อมูลที่แชร์ได้
ประวัติความเป็นมาของการกีดกันซึ่งกันและกันและการกล่าวถึงครั้งแรก
แนวคิดเรื่องการกีดกันซึ่งกันและกันเกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1960 EW Dijkstra นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์รุ่นบุกเบิก เสนอโซลูชันที่ใช้ซอฟต์แวร์เพื่อแก้ไขปัญหาเพื่อให้แน่ใจว่ามีเพียงกระบวนการเดียวเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันได้ในแต่ละครั้ง สิ่งนี้นำไปสู่การพัฒนาอัลกอริธึมและโปรโตคอลเพื่อจัดการกระบวนการที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ทำให้เกิดแนวคิดพื้นฐานในด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์และระบบปฏิบัติการ
ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการยกเว้นร่วมกัน
การกีดกันร่วมกันมีจุดมุ่งหมายเพื่อป้องกันความขัดแย้งและความไม่สอดคล้องกันที่เกิดขึ้นเมื่อกระบวนการต่างๆ พยายามเข้าถึงหรือแก้ไขทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันพร้อมกัน มีบทบาทสำคัญในการทำงานที่เหมาะสมของแอพพลิเคชั่นแบบมัลติเธรดและระบบแบบกระจาย
แนวคิดและหลักการ
- ยกเว้น: มีเพียงกระบวนการเดียวเท่านั้นที่สามารถเข้าสู่ส่วนวิกฤติได้
- อิสรภาพจากการหยุดชะงัก: กระบวนการจะต้องไม่อยู่ในสถานะที่รอกันอย่างไม่มีกำหนด
- อิสรภาพจากความอดอยาก: ทุกกระบวนการที่ร้องขอการเข้าถึงจะต้องได้รับอนุญาตให้เข้าสู่ส่วนที่สำคัญในที่สุด
อัลกอริทึมทั่วไป
- อัลกอริทึมของ Dijkstra
- อัลกอริทึมของปีเตอร์สัน
- อัลกอริทึมเบเกอรี่ของแลมพอร์ต
- เซมาฟอร์ส
โครงสร้างภายในของการกีดกันซึ่งกันและกัน
การดำเนินการกีดกันซึ่งกันและกันเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบต่างๆ ที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย
อัลกอริทึมและโปรโตคอล
อัลกอริธึมและโปรโตคอลที่แตกต่างกันบังคับใช้การแยกกัน มักใช้กลไกการล็อค แฟล็ก และเซมาฟอร์
ล็อคและกุญแจ
การล็อกเป็นแนวคิดพื้นฐานในการแยกออกร่วมกัน โดยที่กระบวนการล็อกทรัพยากรขณะใช้งานและปลดล็อกเมื่อเสร็จสิ้น
เทคนิคการซิงโครไนซ์
มีการใช้เทคนิคการซิงโครไนซ์ต่างๆ เช่น การล็อคการหมุน mutexes และเซมาฟอร์ เพื่อจัดการกับปัญหาส่วนวิกฤติ
การวิเคราะห์ลักษณะสำคัญของการกีดกันซึ่งกันและกัน
- การแยกตัว: ตรวจสอบให้แน่ใจว่ากระบวนการหนึ่งไม่รบกวนการทำงานของอีกกระบวนการในส่วนที่สำคัญ
- การควบคุมภาวะพร้อมกัน: ให้การจัดการการดำเนินการกระบวนการพร้อมกัน
- ความทนทาน: ช่วยให้สามารถทนต่อข้อผิดพลาดและการกู้คืนได้
- ประสิทธิภาพ: ช่วยให้มีการใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพ
ประเภทของการกีดกันซึ่งกันและกัน
กลไกการยกเว้นร่วมกันประเภทต่างๆ มีดังนี้
| พิมพ์ | คำอธิบาย |
|---|---|
| สปินล็อค | กระบวนการตรวจสอบการล็อคซ้ำๆ จนกว่าจะพร้อมใช้งาน |
| มูเท็กซ์ | ใช้กลไกการล็อค อนุญาตให้มีเธรดเดียวเท่านั้นที่จะเข้าสู่ส่วนวิกฤติ |
| สัญญาณ | รูปแบบทั่วไปของ mutex โดยใช้การส่งสัญญาณและตัวนับ |
| ล็อคผู้อ่าน-นักเขียน | อนุญาตให้ผู้อ่านหลายคนหรือผู้เขียนคนเดียวสามารถเข้าถึงทรัพยากรได้ |
วิธีใช้การกีดกันซึ่งกันและกัน ปัญหา และแนวทางแก้ไข
การใช้งาน
- มัลติเธรด
- การควบคุมการทำงานพร้อมกันของฐานข้อมูล
- ระบบแบบกระจาย
ปัญหา
- การหยุดชะงัก
- ความอดอยาก
- การผกผันลำดับความสำคัญ
โซลูชั่น
- หมดเวลา
- การเพิ่มลำดับความสำคัญ
- ล็อคลำดับชั้น
ลักษณะหลักและการเปรียบเทียบกับข้อกำหนดที่คล้ายกัน
การเปรียบเทียบกลไกการกีดกันซึ่งกันและกัน:
| คุณสมบัติ | มูเท็กซ์ | สัญญาณ | สปินล็อค |
|---|---|---|---|
| ประสิทธิภาพ | ปานกลาง | สูง | ต่ำ |
| ความซับซ้อน | ต่ำ | ปานกลาง | สูง |
| การบังคับใช้ | ทรัพยากรเดียว | ทรัพยากรที่หลากหลาย | ยุ่งกับการรอคอย |
มุมมองและเทคโนโลยีแห่งอนาคตที่เกี่ยวข้องกับการกีดกันซึ่งกันและกัน
อนาคตของการกีดกันซึ่งกันและกันมีแนวโน้มที่จะถูกกำหนดโดยเทคโนโลยีเกิดใหม่ เช่น การประมวลผลควอนตัม การประมวลผลแบบเอดจ์ และความก้าวหน้าในด้านปัญญาประดิษฐ์ เทคโนโลยีเหล่านี้จะจำเป็นต้องมีการพัฒนาอัลกอริธึมและกลไกการกีดกันซึ่งกันและกันที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น
วิธีการใช้พร็อกซีเซิร์ฟเวอร์หรือเชื่อมโยงกับการยกเว้นร่วมกัน
พร็อกซีเซิร์ฟเวอร์เช่น OneProxy อาจใช้ประโยชน์จากหลักการยกเว้นร่วมกันเพื่อจัดการการเชื่อมต่อและคำขอที่เกิดขึ้นพร้อมกันอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการทำให้มั่นใจว่ามีเพียงกระบวนการเดียวเท่านั้นที่สามารถจัดการทรัพยากรหรือการเชื่อมต่อเฉพาะในแต่ละครั้ง พร็อกซีเซิร์ฟเวอร์สามารถป้องกันข้อขัดแย้ง ปรับปรุงความปลอดภัย และปรับปรุงประสิทธิภาพได้
