2.12、进程互斥的软件实现方法

学习提示:

1. 理解各个算法的思想、原理
2. 结合上小节学习的 “实现互斥的四个逻辑部分”，重点理解各算法在进入区、退出区都做了什么
3. 分析各算法存在的缺陷（结合 “实现互斥要遵循的四个原则” 进行分析）

1、单标志法

算法思想：两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。

• 也就是说$每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予$

turn 的初值为 0，即刚开始只允许 0 号进程进入临界区。

若 P1 先上处理机运行，则会一直卡在 ⑤。直到 P1 的时间片用完，发生调度，切换 P0 上处理机运行。

代码 ① 不会卡住 P0，P0 可以正常访问临界区，在 P0 访问临界区期间即时切换回 P1，P1 依然会卡在⑤。

只有 P0 在退出区将 turn 改为 1 后，P1 才能进入临界区。

因此，该算法可以实现 “同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”

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turn 表示当前允许进入临界区的进程号，而只有当前允许进入临界区的进程在访问了临界区之后，才会修改 turn 的值。

• 也就是说，对于临界区的访问，一定是按 P0→P1→P0→P1→…这样轮流访问。

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这种必须 “轮流访问” 带来的问题是，

• 如果此时允许进入临界区的进程是 P0，而 P0 一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许 P1 访问。

因此，单标志法存在的主要问题是：

• $违背空闲让进原则$。

2、双标志先检查法

算法思想：设置一个布尔型数组 flag[] ，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿，

• 比如 “flag[0] = true” 意味着 0 号进程 P0 现在想要进入临界区。

每个进程在进入临界区之前先检查当前有没有别的进程想进入临界区，

• 如果没有，则把自身对应的标志 flag[i] 设为 true，之后开始访问临界区。

若按照 ①⑤②⑥③⑦… 顺序执行，P0 和 P1 将会同时访问临界区。

因此，双标志先检查法存在的主要问题是：

• $违背忙则等待原则$。

原因在于，进入区的 “检查” 和 “上锁” 两个处理不是一气呵成的。“检查” 后，“上锁” 前可能发生讲程切换

3、双标志后检查法

算法思想：双标志先检查法的改版。前一个算法的问题是先 “检查” 后 “上锁” ，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。

• 因此，人们又想到先 “上锁” 后 “检查” 的方法，来避免上述问题。

若按照 ①⑤②⑥… 的顺序执行，P0 和 P1 将都无法进入临界区

• 相当于死锁，两方都一直等待对方

因此，双标志后检查法虽然解决了 “忙则等待” 的问题，

• 但是$又违背了空闲让进和有限等待原则$

会因各进程都长期无法访问临界资源而产生 “饥饿” 现象。

两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。

4、Peterson 算法

算法思想：双标志后检查法中，两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。

Gary L.Peterson 想到了一种方法，如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试 “孔融让梨” ，主动让对方先使用临界区。

两种双标志法的问题都是由于进入区的几个操作不能一气呵成导致的。

我们可以推理验证在 Peterson 算法中，两个进程进入区中的各个操作按不同的顺序穿插执行会发生什么情况:

• ①②③⑥⑦⑧…

• ①⑥②③…

因为 turn 只有一个，必然有一个判断是 false，所以不会产生死锁

抛开 turn 不谈，就回到了双标志后检查法，所以不会出现单标志法的问题

• 单标志法的问题：如果此时允许进入临界区的进程是 P0，而 P0 一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许 P1 访问。

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进入区:

1. 主动争取;
2. 主动谦让;
3. 检查对方是否也想使用，且最后一次是不是自己说了“客气话”

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例如：

• 香香想用马桶，如果需要的话，可以先让臭臭用，

  检查发现臭臭不需要，于是香香访问临界区—―马桶。

• 臭臭想用马桶，可以让香香先用

  香香想用马桶，可以让臭臭先用

  经检查发现香香也要使用，但最后是臭臭说了 “客气话”，因此臭臭循环等待

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Peterson 算法用软件方法解决了进程互斥问题，

• $遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待三个原则$

• 但是依然$未遵循让权等待$的原则。

Peterson 算法相较于之前三种软件解决方案来说，是最好的，但依然不够好。

5、整体框架

上述并不是概览，不同的算法应该相应的分析