محمود عباس، مهندس برمجيات Full-stack والذكاء الاصطناعي

نظم التشغيل 1 (2025-2026) - نظام التشغيل 1 - معمل الأسبوع السادس (تزامن الخيوط والاستعصاء في C#)

في نافذة الطباعة اختر «حفظ كملف PDF» كوجهة.

نظام التشغيل (1) - معمل الأسبوع السادس

التزامن (Synchronization) والاستعصاء (Deadlock) في C#

تزامن الخيوط والاختناق في C#: الأقفال، والميوتكس، والمراقبات، والإشارات، ومشكلة الفلاسفة الآكلين

تعدد الأنوية، وتعدد المعالجة، وتعدد المهام

ثنائي/رباعي النواة: جهاز حاسوب بمعالجين فعليين (ثنائي) أو أربعة معالجات فعلية (رباعي).

تعدد المعالجة (Multiprocessing): يحتوي معالج واحد على عدة وحدات حساب ومنطق (ALU).

تعدد المهام (Multitasking): يتنقل معالج واحد بين العمليات عبر تبديل السياق (Context Switch)، الذي يحفظ حالة العملية كي يمكن إعادة تحميلها واستئناف تنفيذها لاحقا.

i7 مقابل i5 مقابل i3، وسرعة الساعة

الأرقام 7 و5 و3 لا تشير إلى عدد الأنوية - بل تعكس الأداء الإجمالي للمعالج، بما في ذلك سرعة الساعة.
معالجات سلسلة i7 أسرع من i5، وهذه بدورها أسرع من i3.

سرعة الساعة (Clock Speed): تقيس عدد دورات المعالج المنفذة في الثانية، بوحدة GHz - فمعالج بسرعة 3.2 جيجاهرتز ينفذ 3.2 مليار دورة في الثانية.

أحيانا تكتمل عدة تعليمات في دورة ساعة واحدة؛ وأحيانا أخرى تمتد تعليمة واحدة عبر عدة دورات.

مشكلة تعدد الخيوط

تدعم C# التنفيذ المتوازي للكود عبر تعدد الخيوط (Multithreading).
يمكن للخيوط مشاركة البيانات - إذ تحمل مرجعا مشتركا لنسخة الكائن نفسها.
حين تقرأ عدة خيوط بيانات مشتركة وتكتب فيها دون تنسيق، تصبح النتائج غير متوقعة.

مثال حجز التذاكر: المشكلة

يمثل المتغير المشترك Tickets عدد التذاكر المتبقية للبيع.
يحاول خيطان بيع تذكرة في الوقت نفسه، باستخدام المتغير المشترك نفسه.
دون حماية، يمكن أن ينتهي الأمر بكلا الخيطين إلى بيع التذكرة نفسها.

مثال حجز التذاكر: التنفيذ المتشابك

التحقق من توافر التذكرة
القراءة إلى سجل محلي
الإنقاص
الكتابة مرة أخرى
الطباعة

على معالج واحد، يمكن لنظام التشغيل أن يتشابك بين خطوات الخيطين عند أي من هذه الأسطر.

text

Thread 1                    Thread 2
1. If (Tickets > 0)
2a. Register = Tickets
2b. Decrement register
2c. Tickets = register
3. Print "Tickets"
                             1. If (Tickets > 0)
                             2a. Register = Tickets
                             2b. Decrement register
                             2c. Tickets = register
                             3. Print "Tickets"

مثال بست تذاكر: يقرأ كلا الخيطين Tickets = 6، ويحسب كلاهما Register = 5، ويطبع كلاهما 5 - فتباع التذكرة نفسها مرتين.

القسم الحرج (Critical Section)

القسم الحرج (Critical Section): جزء من الكود يصار فيه إلى الوصول إلى بيانات مشتركة.

يلزم إجراء ذري (Atomic) داخل القسم الحرج - إذ لا يجوز أن ينفذه سوى خيط واحد في كل مرة.
يصبح القسم الحرج ذريا (آمنا) عبر تزامن الخيوط.
أربع طرق تزامن شائعة: Lock، وMutex، وMonitor، وSemaphore.

Lock وMutex وMonitor

Lock: قفل حصري يضمن أن خيطا واحدا فقط يمكنه دخول القسم الحرج في كل مرة.

Mutex: قفل حصري أيضا، لكنه أبطأ من lock؛ يستخدم WaitOne() وReleaseMutex() للحصول عليه وتحريره.

Monitor: قفل حصري مثل mutex وlock، ويستخدم Monitor.Enter() وMonitor.Exit() للحصول عليه وتحريره.

تضمن الطرق الثلاث جميعها ألا يشغل القسم الحرج سوى خيط واحد في أي لحظة معينة.

Semaphore (الإشارة)

الإشارة (Semaphore): تسمح بعدد محدد من الخيوط بدخول قسم حرج في آن واحد.

النوع	السعة	الوصف
إشارة ثنائية (Binary Semaphore)	1	مماثلة وظيفيا لـ `lock` أو `mutex` أو `monitor`
إشارة عامة (General Semaphore)	أكبر من 1	تسمح بعدة خيوط في آن واحد

الحاجز محدود السعة: المنتج - المستهلك

المنتج (Producer): يضيف عناصر إلى المخزن المؤقت المشترك.

المستهلك (Consumer): يزيل عناصر من المخزن، لكن فقط بعد أن ينتجها المنتج.

المنتج (Producer)

يضيف

المخزن المؤقت

مكدس LIFO بسعة ثابتة

يزيل

المستهلك (Consumer)

الاختناق (Deadlock)

الاختناق (Deadlock): حالة تدخل فيها عملية طور الانتظار لأن عملية أخرى منتظرة تحتفظ بالمورد الذي تحتاجه.

المثال الكلاسيكي: مشكلة الفلاسفة الآكلين (Dining Philosophers Problem).

مشكلة الفلاسفة الآكلين

يجلس خمسة فلاسفة حول طاولة، وتوضع شوكة واحدة بين كل جارين.
يحتاج كل فيلسوف إلى شوكتيه اليسرى واليمنى معا كي يأكل.

فيلسوف 1

فيلسوف 2

فيلسوف 3

فيلسوف 4

فيلسوف 5

تجنب الاختناق

حدد الطاولة بـ أربعة فلاسفة كحد أقصى، بحيث يستطيع واحد منهم على الأقل الحصول على الشوكتين دائما.
اكسر التماثل: يلتقط الفيلسوف ذو الرقم الزوجي الشوكة اليمنى أولا ثم اليسرى، بينما يلتقط الفيلسوف ذو الرقم الفردي الشوكة اليسرى أولا ثم اليمنى.

أهم النقاط

يتيح تعدد الخيوط للخيوط مشاركة البيانات عبر مراجع كائن مشتركة - وهذا بالضبط ما يجعل التزامن ضروريا.
يجب أن ينفذ القسم الحرج ذريا؛ وLock وMutex وMonitor وSemaphore هي الطرق القياسية الأربع لفرض ذلك في C#.
تمنح Lock/Mutex/Monitor وصولا حصريا (خيط واحد في كل مرة)؛ بينما تسمح الإشارة العامة بعدد ثابت من الخيوط المتزامنة.
يحتاج نمط الحاجز محدود السعة للمنتج-المستهلك إلى تزامن كي لا يلمس المنتج والمستهلك المخزن المؤقت في الوقت نفسه أبدا.
يحدث الاختناق حين تنتظر العمليات إلى الأبد موارد تحتفظ بها عمليات أخرى، كما توضح مشكلة الفلاسفة الآكلين.
يمكن تجنب الاختناق بالحد من التنافس على الموارد (فلاسفة أقل)، أو كسر التماثل (ترتيب التقاط زوجي/فردي)، أو الحصول على كل الموارد المطلوبة ذريا فقط (كلتا الشوكتين معا).

افتح هذا الدرس

Mahmoud Abasنظام التشغيل 1 - معمل الأسبوع السادس (تزامن الخيوط والاستعصاء في C#)

Thread 1 Thread 2 1. If (Tickets > 0) 2a. Register = Tickets 2b. Decrement register 2c. Tickets = register 3. Print "Tickets" 1. If (Tickets > 0) 2a. Register = Tickets 2b. Decrement register 2c. Tickets = register 3. Print "Tickets"

النوع

السعة

الوصف

إشارة ثنائية (Binary Semaphore)

مماثلة وظيفيا لـ lock أو mutex أو monitor

إشارة عامة (General Semaphore)

أكبر من 1

تسمح بعدة خيوط في آن واحد