互斥：軟件解決方法

算法一

算法思路

預(yù)留一個全局內(nèi)存區(qū)域，并標記為turn。進程（P0或P1）想進入它的臨界區(qū)執(zhí)行時，要先檢查turn的內(nèi)容。若turn的值等于進程號，則該進程可以進入它的臨界區(qū)；否則該進程被強制等待。等待進程重復(fù)地讀取turn的值。直到被允許進入臨界區(qū)。這一過程稱為忙等待（busy waiting） 或 自旋等待（spin waiting），進程在獲得臨界區(qū)的訪問權(quán)并完成訪問后，必須為另一個進程更新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

進程必須嚴格交替（P0臨界區(qū)執(zhí)行完后才會更新turn值，使得P1跳出忙等待狀態(tài)，同理P0也需等待P1臨界區(qū)執(zhí)行完）使用它們的臨界區(qū)，因此執(zhí)行的步調(diào)由兩個進程較慢的進程決定。
例如：若P0在1小時內(nèi)僅使用臨界區(qū)1次，而P1要以1000次/小時的速率使用臨界區(qū)，則P1就必須適應(yīng)P0的節(jié)奏。

BUG

若一個進程終止，則另一個進程就會被永久阻塞。無論進程是在臨界區(qū)內(nèi)終止還是在臨界區(qū)之外終止，都會發(fā)生這種情況。
例如：P0在執(zhí)行到第二行代碼（臨界區(qū)內(nèi)）時終止，此時turn值為0且此后不會被更新，因此P1將永久處于忙等待狀態(tài)；P0在執(zhí)行到第三行代碼（臨界區(qū)外）時終止，此時turn值為1，于是P1進入臨界區(qū)，執(zhí)行完后便將turn值置為0，而P0進程因為終止便不會再更新turn值，因此P1將永久處于忙等待狀態(tài)。

算法二

算法一僅由一個共享的仲裁變量去實現(xiàn)進程間的互斥，因此進程之間必須嚴格交替執(zhí)行，進程之間的依賴關(guān)系過強

算法二為每一個進程都配備了專門的”鑰匙“，這里定義一個bool數(shù)組flag，flag[0]與P0關(guān)聯(lián)，flag[1]與P1關(guān)聯(lián)，每個進程可檢查但不能改變另一個進程的flag值

算法思路

一個進程要進入臨界區(qū)時，它會周期性地檢查另一個進程的flag，直到其值為false，這表明另一個進程不在臨界區(qū)內(nèi)。檢查進程立即設(shè)置自己的flag為true，進入自己的臨界區(qū)。離開臨界區(qū)時，將自己的flag設(shè)置為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;

進步

若一個進程在臨界區(qū)外終止，包括設(shè)置flag代碼時，則另一個進程不會被阻塞。
例如：當P1在執(zhí)行完第4行代碼后終止，此后flag[1]將一直保持false，因此P0將永遠不會進入忙等待狀態(tài)即說明其不會被阻塞

BUG

若一個進程在臨界區(qū)內(nèi)，或在進入臨界區(qū)之前已將flag設(shè)置為true時終止，則另一個進程就會永久阻塞

沒有保證互斥！！
例如：P1執(zhí)行完第4行代碼后，于是P0跳出忙等待狀態(tài)，但P0還未來得及執(zhí)行第二行代碼（將flag[0]設(shè)置為true）P1便又進入了臨界區(qū)，隨后P0也進入臨界區(qū)，便產(chǎn)生了訪問沖突

下面采用Java多線程編程模擬算法二并驗證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;}} }

兩個線程任務(wù)是，將公共變量var賦值為本線程對應(yīng)正確的值var_right，并輸出當前var的值，若兩個線程保證互斥則var總是等于var_right（Condition ‘var == var_right’ is always ‘true’）即不會輸出##

運行結(jié)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 P0:0 P1:1 P1:## P0:0 P1:## P0:0 P1:1 P1:## P0:0 P1:1 P0:## P1:1 P0:## P1:1 P1:## P0:0 P0:0 P1:## P0:0 P1:1 P1:## P0:0 P0:0 P1:## P0:0 P1:1 P1:## P0:0 P1:## P0:0 P1:1 P1:## P0:0 P1:## P0:0 P1:1 P0:0 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 P1:1 P0:0 P1:1 P0:0 P0:0 P1:1 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:## 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

可見采用算法二兩個線程之間發(fā)生了不少次的訪問沖突（輸出##）

算法三

算法二由于執(zhí)行速率不匹配的原因，導(dǎo)致兩個進程同時處在臨界區(qū)的位置，所以算法二的方案失敗

算法三通過簡單地交換兩條語句來解決這一問題

算法思路

將控制其他進程持續(xù)忙等待的語句提到了檢查flag值之前，確保了同一時刻只有一個進程進入臨界區(qū)

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;

進步

解決算法二造成的訪問沖突問題，確保了互斥性

BUG

與算法二一樣，某一進程在臨界區(qū)內(nèi)或在設(shè)置flag為true時終止，會引起其他進程永久阻塞

若每個進程在執(zhí)行while語句前都將flag設(shè)置為true，則每個進程都會認為另一個進程已經(jīng)進入臨界區(qū)，進而引發(fā)死鎖
例如：P0執(zhí)行完第一行代碼后還未來得及執(zhí)行while語句，P1也執(zhí)行完了第一行代碼，此時flag[0]與flag[1]的值都為true，因此兩個進程都無法跳出忙等待的狀態(tài)，從而造成死鎖

下面采用Java多線程編程模擬算法三并驗證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;}} }

運行結(jié)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

可見結(jié)果只被正確輸出了一次，此后兩線程皆處在忙等待狀態(tài)，形成死鎖

算法四

算法三中，一個進程在設(shè)置其狀態(tài)時是不知道另一個進程的狀態(tài)的。由于每一個進程堅持要進入臨界區(qū)，導(dǎo)致死鎖發(fā)生

算法四在算法三的基礎(chǔ)上引入**“謙讓”**的機制，在忙等待中隨時重設(shè)flag，一定程度上避免了死鎖發(fā)生

算法思路

當出現(xiàn)死鎖情況時（兩者都進入忙等待狀態(tài)），P0進程將flag[0]置為false并在該狀態(tài)延遲1秒，P1便可在這1秒之內(nèi)跳出忙等待狀態(tài)，從而避免了死鎖的情況

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;

進步

一定程度的避免了死鎖的出現(xiàn)

缺陷

當兩個進程自上而下的語句幾乎同時被執(zhí)行時，則兩者都不會進入臨界區(qū)。嚴格來說，這不是死鎖，因為兩個進程執(zhí)行速率的相對變化會打破這種狀況，允許其中一個進程進入臨界區(qū)，這種狀態(tài)稱為活鎖（livelock）（盡管該場景不會維持很長時間，但仍然是一種有可能發(fā)生的情形）

Dekker 算法

算法四可能會出現(xiàn) “互相謙讓” 的情況

Dekker算法通過turn變量表示哪個進程有權(quán)進入它的臨界區(qū)，避免了**“互相謙讓”**的情況

算法思路

當P0要進入它的臨界區(qū)時，將其flag設(shè)置為true，然后檢查P1的flag。若為false，P0可以立即進入它的臨界區(qū)；否則，P0要檢查turn，若發(fā)現(xiàn)turn為0，則P0要持續(xù)周期性地檢查P1的flag。而P1需要延期執(zhí)行并將flag設(shè)置為false，讓P0執(zhí)行。P0完成臨界區(qū)執(zhí)行后，將其flag設(shè)置為false以釋放臨界區(qū)，并將turn設(shè)置為1，把權(quán)力轉(zhuǎn)交給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 算法解決了互斥問題，但復(fù)雜的程序很難實現(xiàn)且其正確性也很難證明。Peterson提出了一個簡單且精致的算法。和前面一樣，全局數(shù)組變量flag表明每個互斥進程的位置，全局變量turn解決同時發(fā)生的沖突。

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; }

最后兩種正確算法相關(guān)內(nèi)容（驗證、說明等）待更新… …

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【操作系统】互斥：软件解决方法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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