一、前言

二、Peterson 算法簡介

三、測試代碼

四、Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響

五、總結

一、前言

在 Linux 系統中,當多個線程并行執行時,如果需要訪問同一個資源,那么在訪問資源的地方,需要使用操作系統為我們提供的同步原語來進行保護。同步原語包括:互斥鎖、條件變量、信號量等,被保護的代碼稱作“臨界區”。

這是非常正規的流程,我們基本上也都是這么做的。

那有沒有想過,這些同步原語對代碼的執行效率會產生多大的影響?是否可以不使用操作系統提供的這些機制,而是用其它純軟件的方法也能達到保護臨界區的目的呢?

這篇文章我們介紹一下 Peterson(皮特森)算法,也許實用性不強,但是可以給我們帶來一些思考,提高我們的編程元技能。

二、Peterson 算法簡介

這個算法主要用來解決臨界區的保護問題。我們知道,一個臨界區必須保證 3 個條件:

互斥訪問: 在任意一個時刻,最多只能有一個線程可以進入臨界區;空閑讓進:當沒有線程正在執行臨界區的代碼時,必須在所有申請進入臨界區的線程中,選擇其中的一個,讓它進入臨界區;有限等待:當一個線程申請進去臨界區時,不能無限的等待,必須在有限的時間內獲得許可進入臨界區。也就是說,不論其優先級多低,不應該餓死在該臨界區入口處。

Peterson算法是一個實現互斥鎖的并發程序設計算法,可以控制兩個線程訪問一個共享的用戶資源而不發生訪問沖突。

Peterson 算法是基于雙線程互斥訪問的 LockOne 與 LockTwo 算法而來。

LockOne 算法使用一個 flag 布爾數組來實現互斥;  LockTwo 使用一個 turn 的整型量來實現互斥;  

這 2 個算法都實現了互斥,但是都存在死鎖的可能。Peterson 算法把這兩種算法結合起來,完美地用軟件實現了雙線程互斥問題。

算法說明如下

兩個重要的全局變量:

1． flag 數組:有 2 個布爾元素,分別代表一個線程是否申請進入臨界區;

2． turn:如果 2 個線程都申請進入臨界區,這個變量將會決定讓哪一個線程進入臨界區;

三、測試代碼 // 被 2 個線程同時訪問的全局資源
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);
       // 臨階區代碼
       num++;
       flag[1] = FALSE;
   }
   return NULL;
}

全局資源 num 的初始值為 0 ,兩個編程分別遞增 100 萬次,因此最終結果應該是 200 萬,實際測試結果也確實如此。

四、Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響 

1． 單線程中:Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
{
   num++;
}

以上代碼,耗時約:1．8ms -- 3．5ms。

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
{
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   num++;
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

以上代碼,耗時約:23．9ms -- 38．9ms�？梢钥闯�,上鎖和解鎖對代碼執行效率的影響還是很明顯的。

2． 多線程中:Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響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:

thread0: diff = 125．8ms
thread1: diff = 129．1ms

3． 在兩個線程中,使用 Peterson 算法來保護臨界區

耗時:

thread1: diff = 1．89ms
thread0: diff = 1．94ms

五、總結

Peterson 算法使用純軟件來保護臨界區,比使用操作系統提供的互斥鎖表現出了更好的性能。

但是它也有一個缺點:只能使用在 2 個線程中,但是由于它與平臺無關,在某些特殊的場合,也許能夠拿來為我們所用!