جامعة المنصورة

• الفصل الدراسي الثاني - 2023-2024
• قسم علوم الحاسب
• كلية الحاسبات والمعلومات
• [CS211P] نظام التشغيل (1)
• الفرقة: الثانية
• الأسبوع: 6
• م. أسماء نجيب

التزامن (Synchronization) والاستعصاء (Deadlock) في C#

جدول المحاضرة

• مقدمة
• مثال حجز التذاكر
• طرق تزامن الـ Threads (Thread Synchronization)
• مثال المنتِج والمستهلِك مع المخزن المؤقت المحدود (Bounded Buffer)
• الاستعصاء (Deadlock)
• مثال الفلاسفة الآكلون (Dining Philosophers)
• 3

مقدمة

• المعالج ثنائي النواة ورباعي النواة (متعدد الأنوية):
• ثنائي النواة (Dual Core): يحتوي الجهاز على معالجَين.
• رباعي النواة (Quad Core): يحتوي الجهاز على أربعة معالجات.
• المعالجة المتعددة (Multi Processing):
• يحتوي المعالج الواحد على أكثر من وحدة حساب ومنطق (ALU).
• تعدد المهام (Multi Tasking):
• يستطيع المعالج الواحد الانتقال من عملية (Process) إلى أخرى عبر تبديل السياق (Context Switch).
• تبديل السياق (Context Switch) هو عملية حفظ حالة عملية معيّنة، بحيث يمكن إعادة تحميلها واستئناف تنفيذها لاحقًا.
• i7 مقابل i5 مقابل i3:
• الأرقام 7 و5 و3 لا تعني عدد الأنوية.
• بل ترتبط بأداء المعالج (بما في ذلك سرعة الساعة/Clock Speed).
• المعالج في فئة i7 أسرع من فئة i5، وهذه أسرع من فئة i3.
• 4

مقدمة

• سرعة الساعة (Clock Speed):
• تقيس عدد الدورات (Cycles) التي ينفذها المعالج في الثانية، وتُقاس بالجيجاهرتز (GHz).
• مثال: معالج بسرعة ساعة 3.2 جيجاهرتز ينفذ 3.2 مليار دورة في الثانية.
• دورة ساعة المعالج (Processor Clock Cycle):
• في بعض الأحيان، تُنجَز عدة تعليمات في دورة ساعة واحدة.
• في حالات أخرى، قد تُنفَّذ تعليمة واحدة عبر عدة دورات ساعة.
• تدعم لغة C# التنفيذ المتوازي للكود عبر تعدد الـ Threads (Multithreading).
• مشكلة تعدد الـ Threads:
• يمكن للـ Threads مشاركة البيانات (فهي تملك مرجعًا مشتركًا لنفس نسخة الكائن/Object Instance).
• الحل:
• تزامن الـ Threads (Thread Synchronization).
• 5

مثال حجز التذاكر

• 6
• متغيّر مشترك (Shared Variable)
• المخرجات:
• تُباع نفس التذكرة مرتين

مثال حجز التذاكر

• 7
• متغيّر مشترك (Shared Variable)
• القسم الحرِج (Critical Section)

مثال حجز التذاكر

• 1
• 2
• 3
• 8

Thread 1

• Thread 2
• 1. إذا كان (Tickets>0)
• 2a. Register = Tickets
• 2b. إنقاص قيمة الـ register
• 2c. Tickets = register
• 3. طباعة "Tickets"
• 1. إذا كان (Tickets>0)
• 2a. Register = Tickets
• 2b. إنقاص قيمة الـ register
• 2c. Tickets = register
• 3. طباعة "Tickets"
• معالج واحد
• صحيح (True)
• صحيح (True)
• R = 6
• R = 6
• R = 5
• R = 5
• Tickets = 5
• Tickets = 5
• طباعة 5
• طباعة 5
• X
• تُباع التذكرة مرتين
• مثال: عدد التذاكر = 6
• 9

طرق تزامن الـ Threads

• القسم الحرِج (Critical Section):
• هو جزء من الكود يمكن فيه الوصول إلى المتغيّر المشترك.
• يلزم أن يكون التنفيذ داخل القسم الحرِج ذريًّا (Atomic) - أي أن ينفّذ thread واحد فقط القسم الحرِج في أي لحظة.
• يمكن جعل القسم الحرِج ذريًّا باستخدام تزامن الـ threads.
• طرق تزامن الـ threads:
• Lock
• Mutex
• Monitor
• Semaphore
• 10

طرق تزامن الـ Threads

• Lock:
• القفل الحصري (Exclusive Locking) يضمن دخول thread واحد فقط إلى القسم الحرِج في أي لحظة.
• Mutex:
• مثل أسلوب lock، فهو أيضًا قفل حصري (Exclusive Locking).
• أبطأ من أسلوب lock.
• يستخدم توابع WaitOne وReleaseMutex للحصول على القفل وتحريره.
• Monitor:
• مثل أسلوبَي mutex وlock (قفل حصري).
• يستخدم توابع Monitor.Enter وMonitor.Exit للحصول على القفل وتحريره.
• Semaphore:
• يسمح لعدد محدد من الـ threads بالدخول إلى القسم الحرِج.
• الـ semaphore الذي سعته thread واحد يُسمّى Binary Semaphore، وهو مشابه لـ lock وmutex وmonitor.
• الـ semaphore الذي سعته أكثر من thread واحد يُسمّى General Semaphore.
• 11

تزامن الـ Threads (Lock)

• 12
• المخرجات:

تزامن الـ Threads (Mutex)

• 13
• المخرجات:

تزامن الـ Threads (Monitor)

• 14
• المخرجات:

تزامن الـ Threads (Binary Semaphore)

• 15
• المخرجات:

تزامن الـ Threads (General Semaphore)

• مثال المنتِج والمستهلِك مع المخزن المؤقت المحدود (Bounded Buffer Producer and Consumer):
• المخزن المؤقت (Buffer) عبارة عن مكدّس (Stack) بأسلوب LIFO (الأخير يدخل أولًا يخرج).
• لا يستطيع المستهلِك (Consumer) استهلاك عناصر إلا بعد أن ينتجها المنتِج (Producer).
• عندما يمتلئ المخزن المؤقت تمامًا، لا يستطيع المنتِج إنتاج عنصر جديد.
• يجب ألا يصل المنتِج والمستهلِك إلى المخزن المؤقت المشترك في نفس اللحظة.
• 16
• D | Z | Y | X | | | | | |
• المنتِج (Producer)
• المستهلِك (Consumer)
• ممتلئ (Full) = 4
• فارغ (Empty) = 6

مثال المنتِج والمستهلِك مع المخزن المؤقت المحدود

• 17
• المخرجات:

الاستعصاء (Deadlock)

• الاستعصاء (Deadlock) هو حالة تحدث عندما تدخل أي عملية في حالة انتظار لأن عملية أخرى في حالة انتظار تحتجز المورد المطلوب.
• مثال: مسألة الفلاسفة الآكلين (Dining Philosophers Problem)
• 18

مثال الفلاسفة الآكلون

• 19

مثال الفلاسفة الآكلون

• 20
• يحدث الاستعصاء عندما يلتقط كل فيلسوف الشوكة اليمنى في نفس اللحظة

مثال الفلاسفة الآكلون

• 21
• يحدث الاستعصاء عندما يلتقط كل فيلسوف الشوكة اليمنى في نفس اللحظة
• الفيلسوف 1
• الفيلسوف 2
• معالج واحد
• الفيلسوف 3
• الفيلسوف 4
• الفيلسوف 5
• 1. التقاط الشوكة 1
• 2. انتظار الشوكة 5
• 1. التقاط الشوكة 2
• 2. انتظار الشوكة 1
• 1. التقاط الشوكة 3
• 2. انتظار الشوكة 2
• 1. التقاط الشوكة 4
• 2. انتظار الشوكة 3
• 1. التقاط الشوكة 5
• 2. انتظار الشوكة 4
• انتظار
• انتظار
• انتظار
• انتظار
• انتظار
• استعصاء (Deadlock)

مثال الفلاسفة الآكلون

• من بعض الطرق لتجنب الاستعصاء ما يلي:
• ألا يزيد عدد الفلاسفة على الطاولة عن أربعة.
• يلتقط الفيلسوف ذو الرقم الزوجي الشوكة اليمنى ثم اليسرى، بينما يلتقط الفيلسوف ذو الرقم الفردي الشوكة اليسرى ثم اليمنى.
• ألا يُسمَح لفيلسوف بالتقاط شوكتيه إلا إذا كانتا متاحتين في نفس اللحظة.
• 22

مثال الفلاسفة الآكلون (حل الاستعصاء)

• 23
• يلتقط الفيلسوف شوكتيه فقط إذا كانتا متاحتين في نفس اللحظة

هل من أسئلة؟

• التالي ....
• 24