В параллельном программировании взаимное исключение относится к концепции, гарантирующей, что только один процесс или поток может одновременно получить доступ к общему ресурсу. Это свойство имеет решающее значение для предотвращения состояний гонки и поддержания целостности данных. В этой статье мы рассмотрим различные методы и приемы обеспечения безопасности при взаимном исключении, а также приведем примеры кода, иллюстрирующие их реализацию.

1. Блокировки.
   Механизмы на основе блокировок представляют собой распространенный подход к достижению взаимного исключения. Блокировка — это примитив синхронизации, который позволяет потоку получить монопольный доступ к ресурсу. Вот пример использования блокировок в Python:

import threading
lock = threading.Lock()
def critical_section():
    lock.acquire()
    # critical section operations
    lock.release()

2. Семафоры.
   Семафоры — это еще одна конструкция синхронизации, которую можно использовать для взаимного исключения. Они поддерживают счетчик, показывающий количество доступных ресурсов. Вот пример использования семафоров в Java:

import java.util.concurrent.Semaphore;
Semaphore semaphore = new Semaphore(1);
void criticalSection() {
    try {
        semaphore.acquire();
        // critical section operations
    } catch (InterruptedException e) {
        // handle interrupted exception
    } finally {
        semaphore.release();
    }
}

3. Мониторы.
   Мониторы — это примитивы синхронизации высокого уровня, сочетающие в себе блокировки и условные переменные. Они инкапсулируют общие данные и процедуры, которые с ними работают. Вот пример использования мониторов в Java:

class Monitor {
    private boolean isAvailable = true;
    synchronized void acquire() throws InterruptedException {
        while (!isAvailable) {
            wait();
        }
        isAvailable = false;
    }
    synchronized void release() {
        isAvailable = true;
        notify();
    }
// critical section operations
}

4. Программная транзакционная память (STM):
   STM — это подход, при котором операции с общей памятью заключаются в транзакции. Он обеспечивает автоматическое взаимное исключение и упрощает модель программирования. Вот упрощенный пример использования STM в Clojure:

(def account (ref 100))
(defn withdraw [amount]
  (dosync
    (alter account - amount)))
(defn deposit [amount]
  (dosync
    (alter account + amount)))
(defn transfer [from to amount]
  (dosync
    (let [balance (deref from)
            remaining (- balance amount)]
       (if (>= remaining 0)
         (do
           (alter from - amount)
           (alter to + amount))
         (throw (Exception. "Insufficient funds."))))))

Взаимное исключение — важнейший аспект параллельного программирования, обеспечивающий безопасность общих ресурсов. В этой статье мы рассмотрели различные методы, такие как блокировки, семафоры, мониторы и программная транзакционная память, которые можно использовать для обеспечения взаимного исключения. Эффективно используя эти методы, разработчики могут предотвращать состояния гонки, поддерживать целостность данных и создавать надежные параллельные приложения.