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C語言邊角料2：用純軟件來代替Mutex互斥鎖

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(hào)量等，被保護(hù)的代碼稱作“臨界區(qū)”。

專注于為中小企業(yè)提供成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、做網(wǎng)站服務(wù),電腦端+手機(jī)端+微信端的三站合一,更高效的管理,為中小企業(yè)虹口免費(fèi)做網(wǎng)站提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。我們立足成都，凝聚了一批互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才，有力地推動(dòng)了成百上千企業(yè)的穩(wěn)健成長，幫助中小企業(yè)通過網(wǎng)站建設(shè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)充和轉(zhuǎn)變。

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(duì)代碼的執(zhí)行效率會(huì)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(jí)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(huì)決定讓哪一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū);

三、測試代碼

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // 被 2 個(gè)線程同時(shí)訪問的全局資源
    2. 
  
  
  
  
  2. static int num = 0; 
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. BOOL flag[2] = { 0 };
    5. 
  
  
  
  
  5. int turn = 0;
    6. 
  
  
  
  
  6. 
  
  
  
  
  7. void *thread0_routine(void *arg)
    8. 
  
  
  
  
  8. {
    9. 
  
  
  
  
  9.     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    10. 
  
  
  
  
  10.     {
    11. 
  
  
  
  
  11.         flag[0] = TRUE;
    12. 
  
  
  
  
  12.         turn = 1;
    13. 
  
  
  
  
  13.         while (TRUE == flag[1] && 1 == turn);
    14. 
  
  
  
  
  14. 
  
  
  
  
  15.         // 臨階區(qū)代碼
    16. 
  
  
  
  
  16.         num++; 
    17. 
  
  
  
  
  17.         
    18. 
  
  
  
  
  18.         flag[0] = FALSE;
    19. 
  
  
  
  
  19.     }
    20. 
  
  
  
  
  20.     
    21. 
  
  
  
  
  21.     return NULL;
    22. 
  
  
  
  
  22. }
    23. 
  
  
  
  
  23. 
  
  
  
  
  24. void *thread1_routine(void *arg)
    25. 
  
  
  
  
  25. {
    26. 
  
  
  
  
  26.     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    27. 
  
  
  
  
  27.     {
    28. 
  
  
  
  
  28.         flag[1] = TRUE;
    29. 
  
  
  
  
  29.         turn = 0;
    30. 
  
  
  
  
  30.         while (TRUE == flag[0] && 0 == turn);
    31. 
  
  
  
  
  31. 
  
  
  
  
  32.         // 臨階區(qū)代碼
    33. 
  
  
  
  
  33.         num++;
    34. 
  
  
  
  
  34.         
    35. 
  
  
  
  
  35.         flag[1] = FALSE;
    36. 
  
  
  
  
  36.     }
    37. 
  
  
  
  
  37. 
  
  
  
  
  38.     return NULL;
    39. 
  
  
  
  
  39. }
    40.

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(duì)代碼執(zhí)行效率的影響

1. 單線程中：Mutex 互斥鎖對(duì)代碼執(zhí)行效率的影響

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    2. 
  
  
  
  
  2. {
    3. 
  
  
  
  
  3.     num++;
    4. 
  
  
  
  
  4. }
    5.

以上代碼，耗時(shí)約：1.8ms -- 3.5ms。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    2. 
  
  
  
  
  2. {
    3. 
  
  
  
  
  3.     pthread_mutex_lock(&mutex);
    4. 
  
  
  
  
  4.     num++;
    5. 
  
  
  
  
  5.     pthread_mutex_unlock(&mutex);
    6. 
  
  
  
  
  6. }
    7.

以上代碼，耗時(shí)約：23.9ms -- 38.9ms。可以看出，上鎖和解鎖對(duì)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(duì)代碼執(zhí)行效率的影響

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. void *thread0_routine(void *arg)
    2. 
  
  
  
  
  2. {
    3. 
  
  
  
  
  3.     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    4. 
  
  
  
  
  4.     {
    5. 
  
  
  
  
  5.         pthread_mutex_lock(&mutex);
    6. 
  
  
  
  
  6.         num++;
    7. 
  
  
  
  
  7.         pthread_mutex_unlock(&mutex);
    8. 
  
  
  
  
  8.     }
    9. 
  
  
  
  
  9.     
    10. 
  
  
  
  
  10.     return NULL;
    11. 
  
  
  
  
  11. }
    12. 
  
  
  
  
  12. 
  
  
  
  
  13. void *thread1_routine(void *arg)
    14. 
  
  
  
  
  14. {
    15. 
  
  
  
  
  15.     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)
    16. 
  
  
  
  
  16.     {
    17. 
  
  
  
  
  17.         pthread_mutex_lock(&mutex);
    18. 
  
  
  
  
  18.         num++;
    19. 
  
  
  
  
  19.         pthread_mutex_unlock(&mutex);
    20. 
  
  
  
  
  20.     }
    21. 
  
  
  
  
  21. 
  
  
  
  
  22.     return NULL;
    23. 
  
  
  
  
  23. }
    24.

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(tái)無關(guān)，在某些特殊的場合，也許能夠拿來為我們所用!


標(biāo)題名稱：C語言邊角料2：用純軟件來代替Mutex互斥鎖
文章起源：http://m.5511xx.com/article/coophoi.html