进程互斥软件实现之Lamport面包店算法

一. 进程互斥的实现方式

1. 软件方式:

保护临界区, 自己编写代码来实现对进程的控制.

Dekker算法
Peterson算法
Lamport算法等

2. 硬件方式:

使用特殊指令保护临界区.

开关中断指令
测试并加锁指令
交换指令
忙等待, 自旋锁

二. Lamport面包店算法

解决多线程并发访问同一个共享资源的互斥问题

这个思想来自于面包店, 医院等, 需要排队取号的场所. 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.

前提:
面包店按由小到大的次序发放号码
两个或两个以上的顾客有可能得到相同号码
当多个顾客抓到相同号码，则按顾客名字的字典次序排序

基本思想：
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.

伪算法:

// 变量说明:
// i 表示当前进程PID
// j 表示当前迭代到的进程PID
// choosing[i] 表示当前进程i是否正在取号, 默认值为false
// number[i] 表示当前进程i的排队号, 默认值为0

process(i) {
    while (true) {
        // 当前进程i正在取号
        choosing[i] = true;
        // number为上一个已发放的排队号加1
        number[i] = 1 + max(number[1], number[2], ..., number[n-1]);
        // 当前进程i取号完毕
        choosing[i] = false;
        
        // 迭代所有进程
        for (j = 0; j < n; j++)
        {
            // 若当前迭代到的进程j正在取号, 则等待其取号完毕
            while(choosing[j]);

            // 同时满足, 当前进程才能通过
            while (number[j] != 0 && (number[j], j) < (number[i], i));
        }

        // 临界区代码

        // 当前进程注销排队号
        // 一旦线程在临界区执行完毕，需要把自己的排队签到号码置为0，表示处于非临界区
        number[i] = 0;

        // 其它代码

    }     
}

注意:
1) 进程需要排队等待的三种情况:
情况1: 存在没有取得排队号的进程
情况2: 当前迭代到的进程没有取得排队号
情况3: 当前迭代到的进程的排队号小于当前进程的排队号, 或当前迭代到的进程PID小于当前进程PID

2) 只有当前进程注销了排队号, 在排队的其它进程才能进入临界区, 满足进程互斥和有限等待

3) 符号说明: (a, b) < (c, d) 表示 (a < c) or ((a == c) and (b < d))

4) 使用choosing数组是必须的, 假设不使用choosing数组, 就可能会出现这种情况: 设进程i的优先级高于进程j(即 i < j), 两个进程获得了相同的number,
进程i在写number[i]之前, 被优先级低的进程j抢先获得了CPU时间片, 这时进程j读取到的number[i]为0, 因此进程j进入了临界区. 随后进程i又获得CPU时间片, 它读取到的number[i]与number[j]相等, 且i < j, 因此进程i也进入了临界区. 这样, 两个进程同时在临界区内访问, 可能会导致数据腐烂(data corruption). 算法使用了choosing数组变量, 使得修改number数组的元素值变得"原子化", 解决了上述问题

后续:

在Linux上实现编写C程序实现面包店算法

参考:
1. 《算法之美》—进程互斥软件算法(Lamport面包店算法和Eisenberg算法)
https://www.xuebuyuan.com/647028.html
2. 面包店算法 - CSDN
https://blog.csdn.net/yucan1001/article/details/7973075