第10章并发和并发程序设计-Read.ppt

第10章 并发和并发程序设计 ;10.1 并发和并发对象 ; 关于多个软件的同时执行存在两个相关但完全不同的概念：程序并行和程序并发。程序并行要求微观上的同时，即在绝对的同一时刻同时推进多道程序，例如多处理机系统中的并行计算。程序并发是指多道程序在宏观上同时向前推进，如用户程序与用户程序之间的并发执行，用户程序与操作系统程序之间的并发执行等。程序并发实质上是宏观上并行，而微观上串行的意思，例如各种分时操作系统、微机上支持的多任务的32位Windows操作系统等，实际上都是程序并发。; 为增强计算机系统的处理能力，提高处理效率，在计算机应用中广泛采用并发技术，这就要求系统提供支持并发的开发环境。并发的系统开发环境主要体现为支持多任务的操作系统。目前，微机上常用的32位Windows操作系统（Windows 9x, Windows Me, Windows NT以及Windows 2000）??为多任务的操作系统，它们支持两种方式的多任务：基于进程的多任务和基于线程的多任务。在微软提供的32位Windows操作系统中，进程是一个具有一定独立功能的程序，是关于每个数据集合的一次运行活动；而线程是可执行代码的一个最小的可分配单元。一个进程可拥有多个线程。 ; 在设计和开发一个并发系统时，首先要做的工作是理解和掌握什么样的活动可以并发地进行，然后确定这些并发活动是怎样交互作用的。这就需要把系统分解成进行并发活动的实体，每个实体具有各自的特性，实体之间的交互作用则需要通过选择某种通信方式来实现。这种分解应当是自然的，分解所生成的实体应尽可能具有独立的行为，与其它实体之间的关联程度应是最低的。面向对象程序设计中的对象所具有的特点，很适宜担任并发程序的实体这一角色。 ; 10.1.2 对象的技术特点 若从抽象系统分析的角度看，对象是状态和方法的封装体；若从程序设计的角度看，对象是数据成员和成员函数的封装体。另外，如果我们从存储的角度来看，对象则是一片私有存储区，其中有数据成员和成员函数。其它对象的成员函数不能直接操纵该对象的私有数据成员，只有对象自己的成员函数才可操纵该对象自己的数据成员。每个对象可以实现某种功能。对象有很高的抽象程度，模块化的特点明显，符合信息隐蔽的原则。这是对象的一个技术特点。 ; 对象之间的联系是通过消息传递来实现的。消息是用来请求对象执行某一处理或回答某些信息的要求的。某一对象在执行相应的处理时，如果需要，它可以通过传递消息请求其它对象完成某些处理工作或回答某些信息。其它对象在执行所要求的处理活动时，同样可以通过传递消息与其它的对象联系。这是对象的另一个技术特点。 对象的这两个技术特点正是一个并发程序所希望的。所以，把对象引入并发程序设计，把面向对象系统的概念和机制用到并发程序设计中来，是很自然的做法，并且给并发程序设计的发展带来新的希望。 ; 10.1.3 面向对象的并发方案 目前流行的一些面向对象程序设计语言，如C++语言，只提供了描述程序顺序执行的能力，如果直接使用C++语言来编制并发程序，具有一定的困难。即使有些语言(如Smalltalk)提供了描述程序并发执行的机制，但往往采用一些传统的并发控制模式和设施，没有从对象模型本身的特点来考虑并发控制，从而造成并发与对象模型中一些概念(如封装、继承及自治等)相冲突。为此，人们不断地研究和开发各种新的编程语言系统。近年来，许多面向对象的并发方案被提出，大致可归纳为下面三种。; (1) 设计全新的并发面向对象语言。 并发程序设计语言一直都是计算机科学研究的热点之一。传统的并发程序设计语言如Multi-Pascal, OCCAM等，本质上都是过程式的，因而其程序的可读性、可维护性以及可扩展性等都较差。为了降低并发程序设计的难度，研究人员提出了各种并发程序设计模型，如函数型、逻辑型、过程型和面向对象型。多年的研究与实践证明，面向对象技术可以大大降低并发程序设计的难度。在面向对象模型中，对象是封装了数据和行为的实体，该实体可以是主动的，也可以是被动的，还可以兼而有之，消息传递是对象间相互作用的惟一方式。这种模型具有天然的并发性。 ; 面向对象技术的基本概念——对象和并行程序设计的基本概念——进程在一定意义上具有相似性：都可访问受限的局部数据；都有封装的行为；都以消息传递方式相互通讯。这种相似性，促使研究人员把并发程序设计技术与面向对象技术结合起来，形成所谓的并发面向对象程序设计 (Concurrent Object-Oriented Programming)技术。并发面向对象程序设计既具有面向对象技术在软件工程上的巨大优势，如代码重用等，又具有并发程序设计技术的优势。近年来，并发面向对象编程技术的研究取得了巨大进展，涌现出了一大批