进程同步之临界区域问题及Peterson算法

•  1. 背景                                                                                                                                                                                                              首先，看个例子，进程P1，P2共用一个变量COUNT，初始值为0

                                          

     因为P1，P2两个进程的执行顺序是随机的，可能顺序执行也可能是并发的，由图可见，不同的执行顺序，COUNT的值会不同，这是不允许的。

     像这种情况，及多个进程并发访问和操作同一数据且执行结果与访问发生的特定顺序有关，称为竞争条件。

• 2.临界区域问题

      为了避免上述情况的发生于是就引入了 临界区 概念。一个系统有n个进程，每个进程有一个代码段称为临界区。这种系统重要特征是当一个进程在临界区内执行，没有其他进程被允许在临界区内执行。

     临界区问题必须满足三项原则：互斥，前进，有限等待。解释如下：

                 

• 3.Peterson算法   

     了解了临界区之后，那么如何控制两个进程访问一个共享的单位用户资源而不发生访问冲突。Peterson算法是一个实现互斥所的并发程序设计算法，它很好地解决了这个问题。

     先看看两个非该算法的程序

                                            

      仔细分析上面两段代码可以知道当多进程执行代码时他们都违反了Progress原则（临界区三原则）。

     

     Peterson算法代码如下：很好地满足了临界区三原则。

     利用了中间值turn，避开了。

                          pi进程                                              pj进程（交换i、j位置即可）       

               

          伪代码

                    

     java代码实现

public class Peterson implements Runnable { private static boolean[] in = { false, false }; private static volatile int turn = -1; public static void main(String[] args) { new Thread(new Peterson(0), "Thread - 0").start(); new Thread(new Peterson(1), "Thread - 1").start(); } private final int id; public Peterson(int i) { id = i; } private int other() { return id == 0 ? 1 : 0; } @Override public void run() { in[id] = true; turn = other(); while (in[other()] && turn == other()) { System.out.println("[" + id + "] - Waiting..."); } System.out.println("[" + id + "] - Working (" + ((!in[other()]) ? "other done" : "my turn") + ")"); in[id] = false; }}

      如果想更深入了解Peterson算法可以参观下下面网址：

                http://zh.wikipedia.org/wiki/Peterson%E7%AE%97%E6%B3%95

                http://stackoverflow.com/questions/2911915/peterson-algorithm-in-java  

       

4.临界资源

上面讲到了临界区，那么就有必要提到临界资源了。虽然在多道程序系统中的诸进程可以共享各类资源，然而临界资源却是一次只能供一个进程使用，使用完后归还系统，才能给其他进程使用。（例如上面例子中的COUNT是临界资源）

进程对临界资源必须互斥使用，为实现临界资源的互斥访问，应该保证诸进程互斥地进入自己的临界区。为此每个进程在进入其临界区前，必须先申请，经过允许后方能进入。

同步机制应该遵循的准则：

空闲让进	当无进程处于临界区内时，必须让一个要求进入临界区的进程立即进入，以有 效地利用临界资源。
忙则等待	当已有进程处于临界区内时，其它试图进入临界区的进程必须等待，以保证它 们互斥地进入临界区。
有限等待	对要求进入临界区的进程，应在有限时间内使之进入，以免陷入“死等”。
让权等待	对于等待进入临界区的进程而言，它必须立即释放处理机，以免进程“忙等”

解决互斥的锁机制：

实现互斥的一种软件方法是采用锁机制，即提供一对上锁和开锁原语，以及一个所变量W

进入临界区前，通过所变量来判断临界资源是否被占用。

但是锁机制仅能表示“开”与“关”两个状态；开、关原语必须作为原子操作来进行；关锁原复测试W状态，浪费了处理机的时间；锁机制只能解决互斥，不能用于同步。信号同步机制很好地解决了这个问题，下篇博客（进程同步之信号量机制（pv操作）及三个经典同步问题）将为你详细解读信号量机制。

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