操作系统中的竞态条件 (OS)

在本教程中，我们将学习操作系统中的竞态条件。

今天，我们将学习操作系统中最重要的概念。竞态条件是一种通常出现在多线程概念中，并发生在操作系统的条件。

竞态条件通常发生在日光灯有多个开关的情况下。带有多个开关的日光灯是操作系统中发生的竞态条件的最大例子。

竞态条件也发生在进程中。如果我们不妥善处理竞态条件，我们可能会陷入死锁。

现在，让我们先了解多线程的基础知识。

操作系统中的多线程 (OS)

多线程是一种将任务分解为多个单一线程的过程。这些线程以顺序或非顺序的方式一个接一个地执行以完成任务。

在多线程中，相同的进程或作业可以由多个线程来完成，其中线程在其他任务中执行相同的进程，这些任务需要此类线程来完成；或者我们可以说，任务由一个以上的线程执行。通过使用多线程可以实现多任务处理。

多线程概念中有三种类型的线程。它们是

1. 多对多多线程风格
2. 多对一多线程风格
3. 一对一多线程风格

操作系统中的竞态条件 (OS)

多线程场景中的竞态条件

竞态条件是一种在多线程上下文中，当多个线程共享资源或执行同一段代码时出现的情况。不当处理这种情况可能会导致一种不利的局面，即输出状态取决于线程的执行顺序。

多处理场景中的竞态条件

竞态条件是一种情况，当设备或系统尝试同时执行两个或多个操作时发生，由于设备或系统的性质，这些操作必须以正确的顺序执行才能成功；竞态条件是一种由此产生的令人不快的情况。

与编程和计算机科学最相关的竞态关联是这些。当两个计算机程序进程尝试同时访问同一资源时，它们会发生并干扰系统。

临界区问题中的竞态条件

竞态条件是可能发生在临界区内的一种潜在情况。当多个线程在关键区域的执行产生不同的结果时，这取决于线程的执行顺序。

如果临界区被视为原子指令，则可以避免某些区域的竞态条件。还可以通过使用锁或原子变量来正确同步线程来避免竞态问题。

竞态条件是跨学科的方法。它可能发生在多线程、进程执行和临界区等概念中。

竞态条件的例子

示例 1：日光灯的开关

竞态条件通常发生在日光灯有多个开关的情况下。带有多个开关的日光灯是操作系统中发生的竞态条件的最大例子。

说明

考虑一个日光灯，两个开关。假设这两个开关都连接到日光灯，并且日光灯处于关闭状态。如果打开开关 1，日光灯会亮起。然后，如果我们打开开关 2，当开关 1 处于打开状态时，日光灯会熄灭。但是，两个开关都处于打开状态，而日光灯处于关闭状态。

现在，让我们考虑日光灯处于关闭状态，开关 1 和开关 2 也处于关闭状态。现在，如果我们同时打开两个开关，日光灯才会亮起。这是因为有断路器。断路器会触发其中一个开关的操作。这是为了防止开关的功能变得无关紧要。

如果计算机中发生相同的情况会怎样？这里，开关的“开”和“关”状态被“读”和“写”操作所取代。这里，日光灯被替换为计算机。想象一下，如果我们正在重写计算机上的数据，而旧数据正在被读取，会发生什么？由于这种状态，这些情况可能会发生

1. 新写入数据的错误和故障
2. 旧写入数据的错误和故障
3. 计算机可能会崩溃
4. 可能会发生数据损坏。
5. 存储的数据可能无序。

竞态条件会导致输出不一致，并降低我们应用程序的耐用性和可信度。

在操作系统中，并发是通过线程实现的。能够并发执行多个操作的能力称为并发。在操作系统中，并发是通过线程实现的。如果我们不进行同步，多个线程访问共享数据，则可能会遇到线程处理共享数据每次都提供不同结果的情况。

操作系统中竞态条件的识别或检测 (OS)

查找竞态条件的需求非常重要。如果我们未能识别它们，我们将丢失大量数据，并且已存在的数据也将损坏。因此，用户和计算机找到操作系统 (OS) 中竞态条件的发生非常重要。

查找和检测竞态条件被认为是很困难的。它们是语义问题，可能由多种潜在的编码错误引起。最好从一开始就编写避免这些问题的代码。

程序员使用静态和动态分析工具来查找竞态条件。在不启动软件的情况下，静态测试工具会扫描一切。然而，它们往往会产生大量不准确的报告。虽然动态分析方法产生的误报较少，但它们可能会遗漏程序本身之外发生的竞态条件。

数据争用（当两个线程同时针对同一内存区域，并且至少有一个执行写操作时发生）有时会导致竞态条件。数据争用比竞态条件更容易发现，因为它们需要特定的情况才能显现。像 Go 项目的 Data Race Detector 这样的工具会监视数据争用情况。竞态情况提供了更重大的问题，并且与应用程序语义更紧密相关。

生产者-消费者问题中的竞态条件

竞态条件通常发生在生产者-消费者问题中。生产者-消费者问题是竞态条件在操作系统中发生的最大例子。

让我们了解一下什么是生产者-消费者问题。

生产者-消费者问题

生产者-消费者问题是边界缓冲区问题的另一个名称。在此问题中，缓冲区中有 n 个槽，每个槽可以容纳一个数据单元。生产者和消费者是使用缓冲区的两个操作。生产者-消费者问题属于同步经典问题类别。

在这里，生产者尝试创建新数据或可能更改现有数据。

消费者仅尝试读取数据。它不会尝试更改已存在的数据。

生产者-消费者问题有两种情况。让我们通过生产者线程和消费者线程来解释这两种情况。

两种情况是

1. 消费者线程比生产者线程快

在这种情况下，将快速读取数据，但计算机预期的数据更改未实现。

示例

我们今天在银行账户中存入了 2222 卢比。我们想在存款后六小时的同一天从银行提取 2000 卢比。在存入 2222 卢比之前，我们的前余额是 1500 卢比。

现在，由于生产者线程较慢，账户余额尚未更新至 3722 卢比（1500 + 2222 = 3722）。

账户余额现在仍为 1500 卢比。所以，如果我们取钱，现金不会更新，我们也无法从银行提取 2000 卢比。由于消费者线程比生产者线程快的情况，我们正面临这个问题。

2. 生产者线程比消费者线程快

在这种情况下，我们正在读取计算机中的数据，但在读取数据的过程中，数据的值会突然改变。

临界区问题中的竞态条件

在深入讨论问题之前，让我们先讨论临界区。

临界区

临界区问题是一个代码片段。这个代码片段包含一些变量。这些变量可以被一些进程访问。这些进程有一个条件。

条件是只有一个进程可以进入临界区。其余有兴趣进入临界区的进程必须等待该进程完成工作，然后才能进入临界区。

由多个线程执行的代码部分被认为是代码的临界区。临界区容易发生竞态条件，因为并发线程的各种输出可能导致不同的执行顺序。

临界区表示

当银行账户同时工作时，就会出现问题。由于多重访问，数据会损坏。

防止操作系统中的竞态条件 (OS)

在 Java 中防止竞态条件

我们有一些特定的关键字，它们在保护操作系统免受竞态条件影响方面非常有用。它们是

1) volatile 关键字

定义

多个线程可以使用 volatile 关键字更改变量的值。使其类成为线程安全是它的另一个应用。它表明使用某个方法或类的实例不是多个线程的问题。volatile 关键字同时兼容原始类型和对象。

volatile 关键字始终从主内存读取变量的值，而不是缓存它。类和方法不能与 volatile 关键字结合使用。它用于变量。它还确保顺序和可见性。它阻止编译器重排代码。

它在竞态条件中的应用

如果变量被声明为 volatile，线程就不会在其本地内存中创建该变量的本地副本。为了防止竞态条件，并发线程避免在某个时间点报告同一变量的不同值。

2) synchronized 关键字

定义

synchronized 关键字有多种应用程度

静态方法

代码块

实例方法

Java 使用监视器（通常称为监视器锁或内置锁）来确保同步，当我们使用 synchronized 块时。同一个对象的所有 synchronized 块在同一时间只能由一个线程运行，因为这些监视器与对象相关联。

它在竞态条件中的应用

通过使用 synchronized 关键字来包围共享资源或代码块，一次只有一个线程可以访问它。

防止外部媒体中的竞态条件

1) 数据提取

竞态条件可能在网络、存储和内存的各种方式中出现。主动监控和预防它们是软件和技术设计与开发的关键组成部分。

由于黑客可能会利用竞态条件漏洞来获得对网络的未经授权访问，因此防止竞态条件至关重要。“脏牛”是一个著名的基于竞态条件漏洞的攻击，它利用 Linux 内核的内存子系统中的一个错误，允许攻击者获得对只读内存映射的写权限。

2) 网络

如果两个用户尝试同时通过网络访问一个频道，并且在系统允许访问之前，没有一个计算机收到频道已被使用的警告，则可能出现竞态条件。根据统计，使用地球同步卫星或有其他长延迟的网络更有可能遇到此类问题。

必须开发一个优先级机制来授予一个用户独占访问权，以避免这种竞态情况。当两个订阅者在预定时间内尝试访问系统时，登录名或编号以字母表较早字母或较低数字开头者可能获得优先权。