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一、前言
在 Linux 系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)線程并行執(zhí)行時(shí)，如果需要訪問(wèn)同一個(gè)資源，那么在訪問(wèn)資源的地方，需要使用操作系統(tǒng)為我們提供的同步原語(yǔ)來(lái)進(jìn)行保護(hù)。同步原語(yǔ)包括：互斥鎖、條件變量、信號(hào)量等，被保護(hù)的代碼稱作“臨界區(qū)”。
專注于為中小企業(yè)提供成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、做網(wǎng)站服務(wù),電腦端+手機(jī)端+微信端的三站合一,更高效的管理,為中小企業(yè)虹口免費(fèi)做網(wǎng)站提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。我們立足成都，凝聚了一批互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才，有力地推動(dòng)了成百上千企業(yè)的穩(wěn)健成長(zhǎng)，幫助中小企業(yè)通過(guò)網(wǎng)站建設(shè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)充和轉(zhuǎn)變。
這是非常正規(guī)的流程，我們基本上也都是這么做的。
那有沒(méi)有想過(guò)，這些同步原語(yǔ)對(duì)代碼的執(zhí)行效率會(huì)產(chǎn)生多大的影響?是否可以不使用操作系統(tǒng)提供的這些機(jī)制，而是用其它純軟件的方法也能達(dá)到保護(hù)臨界區(qū)的目的呢?
這篇文章我們介紹一下 Peterson(皮特森)算法，也許實(shí)用性不強(qiáng)，但是可以給我們帶來(lái)一些思考，提高我們的編程元技能。
二、Peterson 算法簡(jiǎn)介
這個(gè)算法主要用來(lái)解決臨界區(qū)的保護(hù)問(wèn)題。我們知道，一個(gè)臨界區(qū)必須保證 3 個(gè)條件：
- 互斥訪問(wèn): 在任意一個(gè)時(shí)刻，最多只能有一個(gè)線程可以進(jìn)入臨界區(qū);
- 空閑讓進(jìn)：當(dāng)沒(méi)有線程正在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，必須在所有申請(qǐng)進(jìn)入臨界區(qū)的線程中，選擇其中的一個(gè)，讓它進(jìn)入臨界區(qū);
- 有限等待：當(dāng)一個(gè)線程申請(qǐng)進(jìn)去臨界區(qū)時(shí)，不能無(wú)限的等待，必須在有限的時(shí)間內(nèi)獲得許可進(jìn)入臨界區(qū)。也就是說(shuō)，不論其優(yōu)先級(jí)多低，不應(yīng)該餓死在該臨界區(qū)入口處。
Peterson算法是一個(gè)實(shí)現(xiàn)互斥鎖的并發(fā)程序設(shè)計(jì)算法，可以控制兩個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)共享的用戶資源而不發(fā)生訪問(wèn)沖突。
Peterson 算法是基于雙線程互斥訪問(wèn)的 LockOne 與 LockTwo 算法而來(lái)。
- LockOne 算法使用一個(gè) flag 布爾數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥;
- LockTwo 使用一個(gè) turn 的整型量來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥;
這 2 個(gè)算法都實(shí)現(xiàn)了互斥，但是都存在死鎖的可能。Peterson 算法把這兩種算法結(jié)合起來(lái)，完美地用軟件實(shí)現(xiàn)了雙線程互斥問(wèn)題。
算法說(shuō)明如下
兩個(gè)重要的全局變量：
1. flag 數(shù)組：有 2 個(gè)布爾元素，分別代表一個(gè)線程是否申請(qǐng)進(jìn)入臨界區(qū);
2. turn：如果 2 個(gè)線程都申請(qǐng)進(jìn)入臨界區(qū)，這個(gè)變量將會(huì)決定讓哪一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū);
三、測(cè)試代碼
- // 被 2 個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)的全局資源
- static int num = 0;
- BOOL flag[2] = { 0 };
- int turn = 0;
- void *thread0_routine(void *arg)
- {
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- flag[0] = TRUE;
- turn = 1;
- while (TRUE == flag[1] && 1 == turn);
- // 臨階區(qū)代碼
- num++;
- flag[0] = FALSE;
- }
- return NULL;
- }
- void *thread1_routine(void *arg)
- {
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- flag[1] = TRUE;
- turn = 0;
- while (TRUE == flag[0] && 0 == turn);
- // 臨階區(qū)代碼
- num++;
- flag[1] = FALSE;
- }
- return NULL;
- }
全局資源 num 的初始值為 0 ，兩個(gè)編程分別遞增 100 萬(wàn)次，因此最終結(jié)果應(yīng)該是 200 萬(wàn)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果也確實(shí)如此。
四、Mutex 互斥鎖對(duì)代碼執(zhí)行效率的影響
1. 單線程中：Mutex 互斥鎖對(duì)代碼執(zhí)行效率的影響
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- num++;
- }
以上代碼，耗時(shí)約：1.8ms -- 3.5ms。
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex);
- num++;
- pthread_mutex_unlock(&mutex);
- }
以上代碼，耗時(shí)約：23.9ms -- 38.9ms?？梢钥闯?，上鎖和解鎖對(duì)代碼執(zhí)行效率的影響還是很明顯的。
2. 多線程中：Mutex 互斥鎖對(duì)代碼執(zhí)行效率的影響
- void *thread0_routine(void *arg)
- {
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex);
- num++;
- pthread_mutex_unlock(&mutex);
- }
- return NULL;
- }
- void *thread1_routine(void *arg)
- {
- for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex);
- num++;
- pthread_mutex_unlock(&mutex);
- }
- return NULL;
- }
耗時(shí)：
- thread0: diff = 125.8ms
- thread1: diff = 129.1ms
3. 在兩個(gè)線程中，使用 Peterson 算法來(lái)保護(hù)臨界區(qū)
耗時(shí)：
- thread1: diff = 1.89ms
- thread0: diff = 1.94ms
五、總結(jié)
Peterson 算法使用純軟件來(lái)保護(hù)臨界區(qū)，比使用操作系統(tǒng)提供的互斥鎖表現(xiàn)出了更好的性能。
但是它也有一個(gè)缺點(diǎn)：只能使用在 2 個(gè)線程中，但是由于它與平臺(tái)無(wú)關(guān)，在某些特殊的場(chǎng)合，也許能夠拿來(lái)為我們所用!
當(dāng)前名稱：C語(yǔ)言邊角料2：用純軟件來(lái)代替Mutex互斥鎖
網(wǎng)頁(yè)URL：http://www.dlmjj.cn/article/coophoi.html
