Lamport面包店算法

Lamport面包店算法是一种同步方法，用于解决并行计算系统中的临界区问题。临界区问题发生在多个进程同时需要访问共享资源，但同一时间只有一个进程可以访问的情况。挑战在于确保每个进程以互斥的方式访问资源，以避免冲突并保证系统的正确性。

Lamport面包店算法的伪代码

以下是Lamport面包店算法的伪代码：

  • 初始化一个大小为N的数组choosing，其中N是进程的总数，所有元素都设置为0。

  • 初始化一个大小为N的数组number，所有元素都设置为0。

  • 当每个进程i想要进入临界区时，执行以下代码：

    • 设置choosing[i] = 1

    • 设置number[i] = max(number[0], number[1], ..., number[N-1]) + 1

    • 设置choosing[i] = 0

    • 对于其他每个进程j，重复执行以下操作，直到(number[j] == 0) 或 (number[i], i) < (number[j], j)：等待

    • 进入临界区

  • 当每个进程i离开临界区时，执行以下代码：

    • 设置number[i] = 0

Lamport面包店算法的代码

以下代码演示了Lamport面包店算法的实际应用。本例中，我们将使用C++作为实现语言。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

#define N 5 
// total number of processes
using namespace std;

atomic<bool> entering[N] = {false}; 
// to keep track of which process is currently trying to enter critical section
atomic<int> number[N] = {0}; 
// to hold the ticket number for each process

void process(int i) {
   while (true) {
      // Step 1: Get ticket number
      entering[i] = true;
      int max_number = 0;
      for (int j = 0; j < N; j++) {
         if (number[j] > max_number) {
            max_number = number[j];
         }
      }
      number[i] = max_number + 1;
      entering[i] = false;

      // Step 2: Wait until it is this process's turn to enter the critical section
      for (int j = 0; j < N; j++) {
         while (entering[j]) {} 
         // wait until process j has finished choosing its ticket number
         while ((number[j] != 0) && ((number[j] < number[i]) || ((number[j] == number[i]) && j < i))) {} 
         // busy wait until it is this process's turn to enter the critical section
      }

      // Step 3: Enter the critical section
      cout << "Process " << i << " enters the critical section." << endl;
      // perform critical section operations here

      // Step 4: Exit the critical section
      number[i] = 0;
      cout << "Process " << i << " exits the critical section." << endl;
      // perform remainder section operations here
   }
}

int main() {
   // create threads for each process
   thread t[N];
   for (int i = 0; i < N; i++) {
      t[i] = thread(process, i);
   }

   // join threads
   for (int i = 0; i < N; i++) {
      t[i].join();
   }
   return 0;
}

输出

Process 0 enters the critical section.
Process 0 exits the critical section.
Process 1 enters the critical section.
Process 1 exits the critical section.
Process 2 enters the critical section.
Process 2 exits the critical section.
Process 3 enters the critical section.
Process 3 exits the critical section.
Process 0 enters the critical section.
Process 0 exits the critical section.
Process 1 enters the critical section.
Process 1 exits the critical section.
Process 4 enters the critical section.
Process 4Process  exits the critical section.2
.............

Lamport面包店算法的优点

以下是Lamport面包店算法的优点：

  • 通过为请求访问共享资源的进程或线程分配唯一的号码，确保公平性。

  • 根据分配的号码分配号码，防止饥饿。

  • 基于号码的策略简单易懂，易于实现。

  • 高效，不需要复杂的数据结构或进程间通信。

  • 提供互斥，无需专用硬件或硬件支持。

  • 广泛适用且灵活，可应用于各种场景，以确保并发计算中的公平性和互斥。

  • 对于从事分布式或并行系统工作的软件工程师来说，这是一个有用的工具。

Lamport面包店算法的缺点

  • 忙等待 - 该算法需要忙等待，这可能会导致低效率和高CPU利用率，尤其是在许多进程或线程竞争访问同一共享资源时。

  • 饥饿 - 虽然该算法保证公平性，但没有防止饥饿的保护措施。一个进程或线程有时可能会被无限期地延迟，从而无法获得号码并访问资源。

  • 开销 - 该算法需要额外的内存和处理时间来确定号码序列，因为它需要为每个进程或线程存储状态信息。

  • 复杂性 - 该算法的实现可能很复杂，因为它需要仔细处理竞争条件和死锁，并且可能需要使用诸如互斥锁或信号量的同步机制。

结论

Lamport面包店算法是一种互斥算法，它确保多个进程或线程可以访问共享资源而不会相互干扰。它是一个简单的算法，可以防止饥饿并确保公平性。

该算法通过为每个请求访问资源的进程或线程分配号码，然后比较这些号码的值来确定它们被服务的顺序。资源首先被分配给号码最小的进程。

更新于：2023年5月3日

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