【操作系统】互斥：软件解决方法

互斥：软件解决方法

算法一

算法思路

预留一个全局内存区域，并标记为turn。进程（P0或P1）想进入它的临界区执行时，要先检查turn的内容。若turn的值等于进程号，则该进程可以进入它的临界区；否则该进程被强制等待。等待进程重复地读取turn的值。直到被允许进入临界区。这一过程称为忙等待（busy waiting） 或 自旋等待（spin waiting），进程在获得临界区的访问权并完成访问后，必须为另一个进程更新turn的值。

P0 :

while(turn != 0) {/* busy waiting */}
/* critical section */
turn = 1;

P1 :

while(turn != 1) {/* busy waiting */}
/* critical section */
turn = 0;

缺陷

  1. 进程必须严格交替（P0临界区执行完后才会更新turn值，使得P1跳出忙等待状态，同理P0也需等待P1临界区执行完）使用它们的临界区，因此执行的步调由两个进程较慢的进程决定。
    例如：若P0在1小时内仅使用临界区1次，而P1要以1000次/小时的速率使用临界区，则P1就必须适应P0的节奏。

BUG

  1. 若一个进程终止，则另一个进程就会被永久阻塞。无论进程是在临界区内终止还是在临界区之外终止，都会发生这种情况。
    例如：P0在执行到第二行代码（临界区内）时终止，此时turn值为0且此后不会被更新，因此P1将永久处于忙等待状态；P0在执行到第三行代码（临界区外）时终止，此时turn值为1，于是P1进入临界区，执行完后便将turn值置为0，而P0进程因为终止便不会再更新turn值，因此P1将永久处于忙等待状态。

算法二

算法一仅由一个共享的仲裁变量去实现进程间的互斥，因此进程之间必须严格交替执行，进程之间的依赖关系过强

算法二为每一个进程都配备了专门的”钥匙“，这里定义一个bool数组flag，flag[0]与P0关联，flag[1]与P1关联，每个进程可检查但不能改变另一个进程的flag值

算法思路

一个进程要进入临界区时，它会周期性地检查另一个进程的flag，直到其值为false，这表明另一个进程不在临界区内。检查进程立即设置自己的flag为true，进入自己的临界区。离开临界区时，将自己的flag设置为false。

P0 :

while(flag[1]) {/* busy waiting */}
flag[0] = true;
/* critical section */
flag[0] = false;

P1 :

while(flag[0]) {/* busy waiting */}
flag[1] = true;
/* critical section */
flag[1] = false;

进步

  1. 若一个进程在临界区外终止，包括设置flag代码时，则另一个进程不会被阻塞。
    例如：当P1在执行完第4行代码后终止，此后flag[1]将一直保持false，因此P0将永远不会进入忙等待状态即说明其不会被阻塞

BUG

  1. 若一个进程在临界区内，或在进入临界区之前已将flag设置为true时终止，则另一个进程就会永久阻塞
  2. 没有保证互斥！！
    例如：P1执行完第4行代码后，于是P0跳出忙等待状态，但P0还未来得及执行第二行代码（将flag[0]设置为true）P1便又进入了临界区，随后P0也进入临界区，便产生了访问冲突

下面采用Java多线程编程模拟算法二并验证BUG-2

package TEST;public class Multithreading {public static void main(String[] args) {Process p0 = new Process("P0", 0, 0);Process p1 = new Process("P1", 1, 1);p0.start();p1.start();}
}
class Process extends Thread {private static int var;private int var_right;private static boolean[] flag = new boolean[2];private String name;private int cnt_test = 100;private int No;private int No_other;public Process(String name, int No, int var_right) {super();this.name = name;this.No = No;this.var_right = var_right;this.No_other = (No + 1) % 2;}public void run() {for(int i = 0; i < cnt_test; i++) {while(flag[No_other]) { /* busy waiting */ }flag[No] = true;/*--- critical section begin---*/var = var_right;System.out.println(this.name + ":" + (var == var_right? var : "##"));/*--- critical section end---*/flag[No] = false;}}
}

两个线程任务是，将公共变量var赋值为本线程对应正确的值var_right，并输出当前var的值，若两个线程保证互斥则var总是等于var_right（Condition ‘var == var_right’ is always ‘true’）即不会输出##

运行结果如下：

P0:0
P1:##
P0:0
P1:1
P0:0
P1:##
P0:0
P1:##
P0:0
P0:0
P0:0
P1:##
P1:##
P0:0
P1:1
P1:1
P0:##
P1:1
P1:1
P1:1
P0:##
P0:##
P1:1
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P1:1
P1:##
P0:0
P1:##
P0:0
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P1:##
P0:0
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P0:##
P1:1
P0:##
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P1:##
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P1:##
P0:0
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P1:##
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P1:##
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P1:##
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P1:##
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P0:0
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P0:0
P1:##
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P1:1
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P1:1
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P1:##
P0:0
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:1
P0:0
P1:##
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:##
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P1:1
P0:##
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:##
P0:0
P1:1
P1:1
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0
P0:0Process finished with exit code 0

可见采用算法二两个线程之间发生了不少次的访问冲突（输出##）

算法三

算法二由于执行速率不匹配的原因，导致两个进程同时处在临界区的位置，所以算法二的方案失败

算法三通过简单地交换两条语句来解决这一问题

算法思路

将控制其他进程持续忙等待的语句提到了检查flag值之前，确保了同一时刻只有一个进程进入临界区

P0 :

flag[0] = true;
while(flag[1]) {/* busy waiting */}
/* critical section */
flag[0] = false;

P1 :

flag[1] = true;
while(flag[0]) {/* busy waiting */}
/* critical section */
flag[1] = false;

进步

  1. 解决算法二造成的访问冲突问题，确保了互斥性

BUG

  1. 与算法二一样，某一进程在临界区内或在设置flag为true时终止，会引起其他进程永久阻塞
  2. 若每个进程在执行while语句前都将flag设置为true，则每个进程都会认为另一个进程已经进入临界区，进而引发死锁
    例如：P0执行完第一行代码后还未来得及执行while语句，P1也执行完了第一行代码，此时flag[0]与flag[1]的值都为true，因此两个进程都无法跳出忙等待的状态，从而造成死锁

下面采用Java多线程编程模拟算法三并验证BUG-2

package TEST;public class Multithreading {public static void main(String[] args) {Process p0 = new Process("P0", 0, 0);Process p1 = new Process("P1", 1, 1);p0.start();p1.start();}
}
class Process extends Thread {private static int cnt_busy_wait = 0;private static int var;private int var_right;private static boolean[] flag = new boolean[2];private String name;private int cnt_test = 100;private int No;private int No_other;public Process(String name, int No, int var_right) {super();this.name = name;this.No = No;this.var_right = var_right;this.No_other = (No + 1) % 2;}public void run() {for(int i = 0; i < cnt_test; i++) {flag[No] = true;while(flag[No_other]) {/* busy waiting */System.out.println(this.name + " BusyWaiting: " + (++cnt_busy_wait));if(cnt_busy_wait > 999) return;}/*--- critical section begin---*/var = var_right;System.out.println(this.name + ":" + (var == var_right? var : "##"));/*--- critical section end---*/flag[No] = false;}}
}

运行结果如下：

P0:0
P1 BusyWaiting: 1
P1 BusyWaiting: 3
P1 BusyWaiting: 4
P1 BusyWaiting: 5
P0 BusyWaiting: 2
P0 BusyWaiting: 7
P0 BusyWaiting: 8
P0 BusyWaiting: 9
P0 BusyWaiting: 10
P1 BusyWaiting: 6
P1 BusyWaiting: 12
P1 BusyWaiting: 13
P0 BusyWaiting: 11... ...P1 BusyWaiting: 995
P1 BusyWaiting: 996
P1 BusyWaiting: 997
P1 BusyWaiting: 998
P1 BusyWaiting: 999
P1 BusyWaiting: 1000
P0 BusyWaiting: 967Process finished with exit code 0

可见结果只被正确输出了一次，此后两线程皆处在忙等待状态，形成死锁

算法四

算法三中，一个进程在设置其状态时是不知道另一个进程的状态的。由于每一个进程坚持要进入临界区，导致死锁发生

算法四在算法三的基础上引入**“谦让”**的机制，在忙等待中随时重设flag，一定程度上避免了死锁发生

算法思路

当出现死锁情况时（两者都进入忙等待状态），P0进程将flag[0]置为false并在该状态延迟1秒，P1便可在这1秒之内跳出忙等待状态，从而避免了死锁的情况

P0 :

flag[0] = true;
while(flag[1])
{flag[0] = false;delay(1); // dalay 1 secflag[0] = true;
}
/* critical section */
flag[0] = false;

P1 :

flag[1] = true;
while(flag[0])
{flag[1] = false;delay(1); // dalay 1 secflag[1] = true;
}
/* critical section */
flag[1] = false;

进步

  1. 一定程度的避免了死锁的出现

缺陷

  1. 当两个进程自上而下的语句几乎同时被执行时，则两者都不会进入临界区。严格来说，这不是死锁，因为两个进程执行速率的相对变化会打破这种状况，允许其中一个进程进入临界区，这种状态称为活锁（livelock）（尽管该场景不会维持很长时间，但仍然是一种有可能发生的情形）

Dekker 算法

算法四可能会出现 “互相谦让” 的情况

Dekker算法通过turn变量表示哪个进程有权进入它的临界区，避免了**“互相谦让”**的情况

算法思路

当P0要进入它的临界区时，将其flag设置为true，然后检查P1的flag。若为false，P0可以立即进入它的临界区；否则，P0要检查turn，若发现turn为0，则P0要持续周期性地检查P1的flag。而P1需要延期执行并将flag设置为false，让P0执行。P0完成临界区执行后，将其flag设置为false以释放临界区，并将turn设置为1，把权力转交给P1

bool flag[2];
int turn;
void P0()
{while (true){flag[0] = true;while (flag[1]){if (turn == 1){flag[0] = false;while(turn == 1) { /* busy waiting */ }flag[0] = true;}}/* critical section */turn = 1;flag[0] = false;}
}
void P1()
{while (true){flag[1] = true;while (flag[0]){if (turn == 0){flag[1] = false;while (turn == 0) { /* busy waiting */ }flag[1] = true;}}/* critical section */turn = 0;flag[1] = false;}
}
int main()
{flag[0] = false;flag[1] = false;turn = 1;parbegin(P0, P1); // concurrent executionreturn 0;
}

Peterson 算法

Dekker 算法解决了互斥问题，但复杂的程序很难实现且其正确性也很难证明。Peterson提出了一个简单且精致的算法。和前面一样，全局数组变量flag表明每个互斥进程的位置，全局变量turn解决同时发生的冲突。

bool flag[2];
int turn;
void P0()
{while(true){flag[0] = true;turn = 1;while(flag[1] && turn == 1) {/* busy waiting */}/* critical section */flag[0] = false;}
}
void P1()
{while(true){flag[1] = true;turn = 0;while(flag[0] && turn == 0) {/* busy waiting */}/* critical section */flag[1] = false;}
}
int main()
{flag[0] = false;flag[1] = false;parbegin(P0, P1); // concurrent executionreturn 0;
}

最后两种正确算法相关内容（验证、说明等）待更新… …

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