Peterson 问题


Peterson 解法很好地描述了解决临界区问题的算法,并阐明了设计满足互斥、进展和有限等待要求的软件中涉及的一些复杂性。

do {
   flag[i] = true;
   turn = j;
   while (flag[j] && turn == j);
   /* critical section */
   flag[i] = false;
   /* remainder section */
}
while (true);

Peterson 解法中进程 Pi 的结构。此解法仅限于两个交替执行临界区和剩余区的进程。进程编号为 P0 和 P1。为方便起见,当存在 Pi 时,我们使用 Pj 表示另一个进程;即 j 等于 1 − I。Peterson 解法要求这两个进程共享两个数据项:

int turn;
boolean flag[2];

变量 turn 表示轮到哪个进程进入其临界区。即,如果 turn == i,则允许进程 Pi 在其临界区中执行。如果进程准备进入其临界区,则使用标志数组来指示。例如,如果 flag[i] 为真,则此值表示 Pi 准备进入其临界区。在对这些数据结构的解释完成后,我们现在可以描述上面所示的算法。为了进入临界区,进程 Pi 首先将其 flag[i] 设置为 true,然后将 turn 设置为值 j,从而断言如果另一个进程希望进入临界区,则可以这样做。如果两个进程同时尝试进入,则 turn 将大致同时设置为 i 和 j。最终只有一个赋值会发生;另一个会发生,但会立即被覆盖。turn 的最终值决定了这两个进程中哪个进程首先允许进入其临界区。我们现在证明此解法是正确的。我们需要证明:

  • 保持互斥。
  • 满足进展要求。
  • 满足有限等待要求。

为了证明 1,我们注意到每个 Pi 仅当 flag[j] == false 或 turn == i 时才进入其临界区。还要注意,如果两个进程可以同时在其临界区中执行,则 flag[0] == flag[1] == true。这两个观察结果表明,P0 和 P1 不可能在大致相同的时间成功执行其 while 语句,因为 turn 的值可以是 0 或 1,但不能同时是两者。因此,其中一个进程(例如,Pj)必须成功执行 while 语句,而 Pi 必须至少执行一个附加语句(“turn == j”)。但是,那时,flag[j] == true 且 turn == j,并且只要 Pj 处于其临界区,此条件就会持续存在;因此,保持互斥。

为了证明特性 2 和 3,我们注意到,如果一个进程卡在 while 循环中,条件为 flag[j] == true 且 turn == j,则只能阻止进程 Pi 进入临界区;这是唯一可能的循环。如果 Pj 不准备进入临界区,则 flag[j] 将为 == false,并且 Pi 可以进入其临界区。如果 Pj 已设置 flag[j] = true 并也在其 while 语句中执行,则 turn == i 或 turn == j。如果 turn == i,则 Pi 将进入临界区。如果 turn == j,则 Pj 将进入临界区。尽管一旦 Pj 退出其临界区,它将把 flag[j] 重置为 false,从而允许 Pi 进入其临界区。如果 Pj 将 flag[j] 重置为 true,则 Pj 还必须将 turn 设置为 i。因此,由于 Pi 在执行 while 语句时不会更改变量 turn 的值,因此 Pi 将最多在 Pj 进入一次后进入临界区(进展)(有限等待)。

缺点

  • Peterson 解法适用于两个进程,但此解法是用户模式下临界区最佳方案。

  • 此解法也是一种忙等待解法,因此会浪费 CPU 时间。因此可能会出现**“自旋锁”**问题。任何忙等待解法都可能出现此问题。

更新于:2019年10月17日

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