同步互斥的实现

时间：2020-01-14 23:32:02 阅读：133 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

一、临界区

1.定义：临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共用资源是被互斥获得使用。

2.临界区中存在的属性：

互斥：同一时间临界区中最多存在一个线程；
Progress：如果一个线程想要进入临界区，那么它最终会成功（如果无限等待，处于饥饿状态，不妥）；
有限等待：如果一个线程i处于入口区，那么在i的请求被接受之前，其他线程进入临界区的时间是有限制的；
无忙等待（可选）：如果一个进程在等待进入临界区，那么它可以进入之前会被挂起。

二、管理临界区的方法

1. 禁用硬件中断

采用引荐中断需要考虑时钟中断：时钟中断是控制进程调度的手段之一

没有中断，没有上下文切换，因此没有并发。硬件将中断处理延迟到中断被启用之后；大多数现代计算机体系结构都提供指令来完成。
进入临界区，则禁用中断。
离开临界区，则开启中断。

但是，存在如下问题：

一旦中断被禁用，线程就无法被停止；整个系统都会为你停下；可能导致其他线程处于饥饿状态。
如临界区可以任意长，则无法限制响应中断所需的时间

2. 基于软件的解决方法

例子：假设有两个线程，T0和T1。Ti的通常结构为：

1 do{
2      enter section            //进入区域
3      critical section          //临界区
4      exit section              //离开区域
5      reminder section      //提醒区域
6 }while(1);

线程可能共享一些共有的变量来同步他们的行为。下面设计一种方法，能在有限时间内实现退出/进入页区。

算法前置知识与考虑

共享变量，先初始化
int turn = 0 ;
turn == i //表示Ti进入临界区
对于Thread Ti ，代码表示如下：

do{
      while(turn != i );    //如果turn不是i，死循环；直到turn是i，跳出循环
      critical section        //执行临界区代码
      turn = j；              //turn赋为j，退出循环
      reminder section
}while(1);

上述代码满足互斥，即不可能两个线程同时进入临界区。但不满足process，比如T1执行完进入临界区代码后，不再进入临界区程序，转去执行其他任务。而T2执行完临界区代码后，想再次进入临界区，而发现自己在退出临界区时，
把turn赋值为了1，因此再执行进入临界区代码时，由于turn=1而不是2，会执行死循环而不能进入临界区。此方法的特点就是必须T1和T2交替执行来改变turn值，才能满足process。

因此再考虑其他方法：

对于有线程0、线程1的情况：

int flag[2]; flag[0] = flag[1] = 0
flag[i] = 1 //如果等于1，则线程Ti进入临界区
对于Thread Ti，代码如下：

1 do{
2       while (flag[j] == 1);    //如果另一个进程想进来，此进程先谦让一下，自己先循环着
3       flag[i] = 1;    //如果别的进程未准备，则自己赋成1，表示自己要进入临界区
4       critical section
5       flag[i] = 0;
6       reminder section
7 }while(1);

该方法没有实现互斥，如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==0 ，所以两个线程都能进入临界区，不满足互斥。

考虑将flag[i] = 1前置，代码如下

1 do{
2        flag[i] = 1; 
3        while (flag[j] == 1);  
4        critical section
5        flag[i] = 0;
6        reminder section
7 }while(1);

此方法满足互斥，但可能出现死锁，

如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==1，两个进程都会进入死循环，所以两个线程都不能进入临界区。

正确的解决办法（Peterson算法）

满足进程Pi和Pj之间互斥的经典的基于软件的解决方法（1981年），Use two shared data items（用上了turn和flag）。

int turn; // 指示该谁进入临界区
boolean flag[]; // 指示进程是否准备好进入临界区

Code for ENTER_CRITICAL_SECTION

1 flag[i] = TRUE;
2 turn = j;
3 while(flag[j] && turn == j);

Code for EXIT_CRITICAL_SECTION

flag[i] = FALSE;

对于进程Pi的算法：

1 do {
2     flag[i] = TRUE;
3     turn = j;
4     while (flag[j] && turn == j);
5     CRITICAL SECTION
6     flag[i] = FALSE;
7     REMAINDER SECTION
8 } while (TRUE);

上述算法能够满足互斥、前进、有限等待三种特性。可以用反证法来证明。

更为复杂的dekker算法
dekker算法的实现如下。

flag[0] := false flag[1] := false := 0 // or 1
do {
    flag[i] = TRUE;
    while flag[j] == true {
      if turn != i {
        flag[i] := false
        while turn != i {}
        flag[i] := TRUE
}
}
CRITICAL SECTION
turn := j
flag[i] = FALSE;
REMAINDER SECTION
} while (TRUE);