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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)，如果需要訪問同一個(gè)資源，那么在訪問資源的地方，需要使用操作系統(tǒng)為我們提供的同步原語來進(jìn)行保護(hù)。同步原語包括：互斥鎖、條件變量、信號量等，被保護(hù)的代碼稱作“臨界區(qū)”。

這是非常正規(guī)的流程，我們基本上也都是這么做的。

那有沒有想過，這些同步原語對代碼的執(zhí)行效率會產(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一些思考，提高我們的編程元技能。

二、Peterson 算法簡介

這個(gè)算法主要用來解決臨界區(qū)的保護(hù)問題。我們知道，一個(gè)臨界區(qū)必須保證 3 個(gè)條件：

1. 互斥訪問: 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);
2. 空閑讓進(jìn)：當(dāng)沒有線程正在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，必須在所有申請進(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);
3. 有限等待：當(dāng)一個(gè)線程申請進(jìn)去臨界區(qū)時(shí)，不能無限的等待，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，不論其優(yōu)先級多低，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)線程訪問一個(gè)共享的用戶資源而不發(fā)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。

1. LockOne 算法使用一個(gè) flag 布爾數(shù)組來實(shí)現(xiàn)互斥;
2. LockTwo 使用一個(gè) turn 的整型量來實(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，完美地用軟件實(shí)現(xiàn)了雙線程互斥問題。

算法說明如下

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)線程是否申請進(jìn)入臨界區(qū);

2. turn：如果 2 個(gè)線程都申請進(jìn)入臨界區(qū)，這個(gè)變量將會決定讓哪一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū);

三、測試代碼

// 被 2 個(gè)線程同時(shí)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(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 萬次，因此最終結(jié)果應(yīng)該是 200 萬，實(shí)際測試結(jié)果也確實(shí)如此。

四、Mutex 互斥鎖對代碼執(zhí)行效率的影響

1. 單線程中：Mutex 互斥鎖對代碼執(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。可以看出，上鎖和解鎖對代碼執(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，但是由于它與平臺無關(guān)，在某些特殊的場合，也許能夠拿來為我們所用!