一、Peterson算法介绍
Peterson算法是一种用于解决互斥问题的经典算法,由Tsaoron Peterson于1981年提出。它是在不使用硬件信号量的情况下,利用共享内存来实现进程间互斥的一种方法。
Peterson算法的基本思想是引入两个进程间的共享变量flag和turn。flag[i]表示进程i是否需要进入临界区,turn表示轮换的标志位,它通常被设置为进程号。这样,当一个进程需要进入临界区时,它首先需要改变自己的flag值为true,并将turn设为另外一个进程的进程号。只有当另一个进程的flag为false或者轮到这个进程的时候,它才能进入临界区。
int flag[2]; int turn; void P(int self) { flag[self] = true; turn = 1 - self; // 轮到另外一个进程 while (flag[1 - self] && turn == 1 - self); // 等待另外一个进程不需要进入临界区且轮换标志位为自己 } void V(int self) { flag[self] = false; // 结束进程 }
二、Peterson算法实现
下面我们来看一下,如何通过实现Peterson算法来实现一段关键代码的互斥访问。
我们有两个线程,每个线程都要访问一个共享资源,在访问之前,我们需要使用Peterson算法实现互斥。代码如下:
#include#include #define THREAD_COUNT 2 #define COUNT_IMAX 1000000 int g_count = 0; int g_critical_section = 0; int g_turn = 0; int g_flag[2] = {0, 0}; void lock(int thread_id) { g_flag[thread_id] = 1; g_turn = (thread_id + 1) % THREAD_COUNT; while ((g_flag[(thread_id + 1) % THREAD_COUNT]) && (g_turn == (thread_id + 1) % THREAD_COUNT)) { // wait } } void unlock(int thread_id) { g_flag[thread_id] = 0; } void* thread_func(void* arg) { int thread_id = *(int*)(arg); for (int i = 0; i < COUNT_IMAX; i++) { lock(thread_id); g_count++; unlock(thread_id); } return NULL; } int main() { pthread_t threads[THREAD_COUNT]; int thread_ids[THREAD_COUNT]; for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { thread_ids[i] = i; pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, &thread_ids[i]); } for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { pthread_join(threads[i], NULL); } printf("Final count=%d\n", g_count); return 0; }
三、Peterson算法的问题
虽然Peterson算法可以成功地解决进程间互斥问题,但它也存在一些问题。
首先,Peterson算法存在忙等待现象。在等待时间中,其他进程无法执行,浪费了处理器资源。
其次,Peterson算法只能应用于两个进程之间的互斥,当需要多个进程间互斥时,需要根据需要进行设计和修改。
四、Peterson算法的改进
为了避免Peterson算法的忙等待现象,可以通过硬件来实现进程间的同步。现代处理器中一般都有硬件锁和原子操作。使用这些硬件特性可以避免忙等待现象的产生。
为了应对多进程的互斥问题,可以使用更为高效的算法,如Tas、Ticket、MCS等。
五、总结
Peterson算法提供了一种可用于解决互斥问题的简单算法,但也存在一些问题。Peterson算法有助于我们更好地理解互斥问题及其解决方案,为后续学习提供了基础。