《算法之美》---进程互斥软件算法(Lamport面包店算法和Eisenberg算法)
实现进程互斥的软件的结构框架是：
Framework
Repeat
entry section
critical section
exit section
remainder section
Until false
进程互斥的软件实现算法有：Lamport面包店算法和Eisenberg算法。这两种算法均假定系统中进程的个数有限，如n个。
1）Lamport面包店算法
面包店算法的基本思想来源于顾客在面包店购买面包时的排队原理。顾客进入面包店前，首先抓取一个号码，然后按号码从小到大的次序依次进入面包店购买面包，这里假定：
(1)—面包店按由小到大的次序发放号码，且两个或两个以上的顾客有可能得到相同号码（要使顾客的号码不同，需互斥机制）；
(2)—若多个顾客抓到相同号码，则按顾客名字的字典次序排序（假定顾客没有重名）。
计算机系统中，顾客相当于进程，每个进程有一个唯一的标识，用Pi表示，对于Pi和Pj，若有i<j，即Pi先进入临界区，则先为Pi服务。
面包店算法的基本思想：首先设置一个发号器，按由小到大的次序发放号码。进程进入临界区前先抓取一个号码，然后按号码从小到大的次序依次进入临界区。若多个进程抓到相同的号码则按进程编号依次进入。
实现面包店算法所需的数据结构：
int choosing[n]; //表示进程是否正在抓号，初值为0。若进程i正在抓号，则choosing[i]=1.
int number[n]; //记录进程抓到的号码，初值为0。若number[i]=0，则进程i没有抓号
伪代码如下：
// declaration & initial values of global variables
Choosing, Number: array [1..N] of integer = {0};
// logic used by each process...
// where "(a, b)＜(c, d)"
// means "(a＜c) or ((a == c) and (b＜d))"
Process(i) { //注意：此处测试的是进程Pi
while (true) {
Choosing[i] = 1;
Number[i] = 1 + max(Number[1],...,Number[N]);
Choosing [i] = 0;
for (j=1; j＜=N; ++j) {
while (Choosing[j] != 0) {//保证编号较小的进程先进入临界区
// wait until process j receives its number
}
while ((Number[j]!=0) && ((Number[j],j) ＜(Number[i],i))) { //进程Pj是其他线程
// wait until processes with smaller numbers
// or with the same number, but with higher
// priority, finish their work
}
}
// critical section...
Number[i] = 0;
// non-critical section...
}
}
当进程Pi计算完max(…)+1但尚未将值赋给number[i]时，进程Pj中途插入，计算max(…)+1，得到相同的值。在这种情况下，Choosing[j]保证编号较小的进程先进入临界区。
忙式等待：上述Lamport面包店算法中，若while循环的循环条件成立，则进程将重复测试，直到条件为假。实际上，当while循环条件成立时，进程Pi不能向前推进，而在原地踏步，这种原地踏步被称为忙式等待。忙式等待空耗CPU资源，因而是低效的。
2）Eisenberg算法采用的数据结构是：
enum states {IDLE, WAITING, ACTIVE} flags[n];
int turn; //范围是(0, n-1)
int index;//范围是(0, n-1)
其中，flags[i]=IDLE：进程Pi不想进入临界区；
flags[i]=WAITING：进程Pi想进入临界区；
flags[i]=ACTIVE：进程想进或已进临界区。
flags的所有元素初值都是IDLE；
turn的初值为0到n-1之间的任一正整数，它表示允许进入临界区的进程编号；
index为每个进程拥有的一个局部变量，其初值为0到n-1之间的任一正整数。
Eisenberg算法伪代码如下：
INITIALIZATION:
shared enum states {IDLE, WAITING, ACTIVE} flags[n];
shared int turn;
int index; /* not shared! */
...
turn = 0;
...
for (index=0; index<n; index++) { //初始化为IDLE
flags[index] = IDLE;
}
ENTRY PROTOCOL (for Process i ): //注意下面代码都是针对进程Pi
repeat {
/* announce that we need the resource */
flags = WAITING;
/* scan processes from the one with the turn up to ourselves. */
/* repeat if necessary until the scan finds all processes idle */
index = turn;
while (index != i) {
if (flag[index] != IDLE) index = turn;
else index = index+1 mod n;
}
/* now tentatively claim the resource */
flags = ACTIVE;
/* find the first active process besides ourselves, if any */
index = 0;
while ((index < n) && ((index == i) || (flags[index] != ACTIVE))) {
index = index+1;
}
/* if there were no other active processes, AND if we have the turn
or else whoever has it is idle, then proceed. Otherwise, repeat
the whole sequence. */
} until ((index >= n) && ((turn == i) || (flags[turn] == IDLE)));
/* claim the turn and proceed */
turn = i;
EXIT PROTOCOL (for Process i ):
/* find a process which is not IDLE */
/* (if there are no others, we will find ourselves) */
index = turn+1 mod n;
while (flags[index] = IDLE) {
index = index+1 mod n;
}
/* give the turn to someone that needs it, or keep it */
turn = index;
/* we're finished now */
flag = IDLE;
注意：Eisenberg算法同样存在忙式等待问题。