logo

Алгоритъмът на Питърсън за взаимно изключване | Комплект 2 (цикли на процесора и ограда за памет)

Проблем: Като се има предвид 2 процес I и J, трябва да напишете програма, която може да гарантира взаимно изключване между двете без допълнителна хардуерна поддръжка.

Разбиване на цикли на часовника на процесора

По отношение на миряните, когато нишката чакаше своя ред, тя завършва дълъг цикъл, който тестваше състоянието милиони пъти в секунда, като по този начин извърши ненужни изчисления. Има по -добър начин да изчакате и той е известен като "добив" .



За да разберем какво прави, трябва да се разкопаем дълбоко в начина, по който работи планировчикът на процесите в Linux. Споменатата тук идея е опростена версия на планиращия, който действителното изпълнение има много усложнения.

Помислете за следния пример 
Има три процеса P1 P2 и P3. Process P3 е такъв, че той има известно време, подобен на този в нашия код, който прави не толкова полезни изчисления и съществува от цикъла само когато P2 завърши изпълнението си. Планистът поставя всички тях в кръгла опашка на Робин. Сега кажете, че скоростта на процесора на часовника е 1000000/сек и тя разпределя 100 часовника за всеки процес във всяка итерация. След това първо P1 ще се стартира за 100 часовника (0,0001 секунди), след това P2 (0,0001 секунди), последвано от P3 (0,0001 секунди) сега, тъй като няма повече процеси, този цикъл се повтаря, докато P2 приключи и след това последва от изпълнението на P3 и в крайна сметка неговото прекратяване.

Това е пълна загуба на 100 -те цикъла на часовника на процесора. За да избегнем това, ние взаимно се отказваме от времето на процесора за време, т.е. Сега тестваме състоянието си веднъж, след което се отказваме от процесора. Като се има предвид, че нашият тест отнема 25 цикъла на часовника, ние спестяваме 75% от нашите изчисления във времеви резен. Да се ​​постави това графично
 



Алгоритъмът на Питърсън за взаимно изключване | Комплект 2 (цикли на процесора и ограда за памет)

Като се има предвид скоростта на часовника на процесора като 1MHz, това е много спестяване!. 
Различните разпределения осигуряват различна функция за постигане на тази функционалност. Linux осигурява sched_yield () .

C
void lock(int self) {  flag[self] = 1;  turn = 1-self;  while (flag[1-self] == 1 &&  turn == 1-self)    // Only change is the addition of  // sched_yield() call  sched_yield(); } 

Ограда за памет.

Кодът в по -ранния урок може да е работил върху повечето системи, но не е 100% правилен. Логиката беше перфектна, но повечето съвременни процесори използват оптимизации на производителността, които могат да доведат до изпълнение извън поръчка. Това пренареждане на операции с памет (товари и магазини) обикновено остава незабелязано в рамките на една нишка на изпълнение, но може да причини непредсказуемо поведение в едновременни програми.
Помислете за този пример 



C
 while (f == 0);    // Memory fence required here  print x; 

В горния пример компилаторът счита 2-те изявления за независими един от друг и по този начин се опитва да повиши ефективността на кода, като ги поръча, което може да доведе до проблеми за едновременните програми. За да избегнем това, ние поставяме ограда за памет, за да дадем намек на компилатора за възможната връзка между изявленията през бариерата.

Така че редът на изявленията  

флаг [self] = 1; 
завой = 1-аз; 
докато (включете проверка на състоянието) 
добив (); 
 

трябва да е абсолютно същото, за да работи ключалката, в противен случай ще се окаже в състояние на безизходица.

За да се гарантира, че тези компилатори предоставят инструкция, която предотвратява подреждането на изявления през тази бариера. В случай на GCC ITS __sync_synchronize () .
Така че модифицираният код става 
Пълно изпълнение в C:

C++
// Filename: peterson_yieldlock_memoryfence.cpp // Use below command to compile: // g++ -pthread peterson_yieldlock_memoryfence.cpp -o peterson_yieldlock_memoryfence #include   #include #include   std::atomic<int> flag[2]; std::atomic<int> turn; const int MAX = 1e9; int ans = 0; void lock_init() {  // Initialize lock by resetting the desire of  // both the threads to acquire the locks.  // And giving turn to one of them.  flag[0] = flag[1] = 0;  turn = 0; } // Executed before entering critical section void lock(int self) {  // Set flag[self] = 1 saying you want  // to acquire lock  flag[self]=1;  // But first give the other thread the  // chance to acquire lock  turn = 1-self;  // Memory fence to prevent the reordering  // of instructions beyond this barrier.  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);  // Wait until the other thread loses the  // desire to acquire lock or it is your  // turn to get the lock.  while (flag[1-self]==1 && turn==1-self)  // Yield to avoid wastage of resources.  std::this_thread::yield(); } // Executed after leaving critical section void unlock(int self) {  // You do not desire to acquire lock in future.  // This will allow the other thread to acquire  // the lock.  flag[self]=0; } // A Sample function run by two threads created // in main() void func(int s) {  int i = 0;  int self = s;  std::cout << 'Thread Entered: ' << self << std::endl;  lock(self);  // Critical section (Only one thread  // can enter here at a time)  for (i=0; i<MAX; i++)  ans++;  unlock(self); } // Driver code int main() {   // Initialize the lock   lock_init();  // Create two threads (both run func)  std::thread t1(func 0);  std::thread t2(func 1);  // Wait for the threads to end.  t1.join();  t2.join();  std::cout << 'Actual Count: ' << ans << ' | Expected Count: ' << MAX*2 << std::endl;  return 0; } 
C
// Filename: peterson_yieldlock_memoryfence.c // Use below command to compile: // gcc -pthread peterson_yieldlock_memoryfence.c -o peterson_yieldlock_memoryfence #include #include #include 'mythreads.h' int flag[2]; int turn; const int MAX = 1e9; int ans = 0; void lock_init() {  // Initialize lock by resetting the desire of  // both the threads to acquire the locks.  // And giving turn to one of them.  flag[0] = flag[1] = 0;  turn = 0; } // Executed before entering critical section void lock(int self) {  // Set flag[self] = 1 saying you want  // to acquire lock  flag[self]=1;  // But first give the other thread the  // chance to acquire lock  turn = 1-self;  // Memory fence to prevent the reordering  // of instructions beyond this barrier.  __sync_synchronize();  // Wait until the other thread loses the  // desire to acquire lock or it is your  // turn to get the lock.  while (flag[1-self]==1 && turn==1-self)  // Yield to avoid wastage of resources.  sched_yield(); } // Executed after leaving critical section void unlock(int self) {  // You do not desire to acquire lock in future.  // This will allow the other thread to acquire  // the lock.  flag[self]=0; } // A Sample function run by two threads created // in main() void* func(void *s) {  int i = 0;  int self = (int *)s;  printf('Thread Entered: %dn'self);  lock(self);  // Critical section (Only one thread  // can enter here at a time)  for (i=0; i<MAX; i++)  ans++;  unlock(self); } // Driver code int main() {   pthread_t p1 p2;  // Initialize the lock   lock_init();  // Create two threads (both run func)  Pthread_create(&p1 NULL func (void*)0);  Pthread_create(&p2 NULL func (void*)1);  // Wait for the threads to end.  Pthread_join(p1 NULL);  Pthread_join(p2 NULL);  printf('Actual Count: %d | Expected Count:'  ' %dn'ansMAX*2);  return 0; } 
Java
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class PetersonYieldLockMemoryFence {  static AtomicInteger[] flag = new AtomicInteger[2];  static AtomicInteger turn = new AtomicInteger();  static final int MAX = 1000000000;  static int ans = 0;  static void lockInit() {  flag[0] = new AtomicInteger();  flag[1] = new AtomicInteger();  flag[0].set(0);  flag[1].set(0);  turn.set(0);  }  static void lock(int self) {  flag[self].set(1);  turn.set(1 - self);  // Memory fence to prevent the reordering of instructions beyond this barrier.  // In Java volatile variables provide this guarantee implicitly.  // No direct equivalent to atomic_thread_fence is needed.  while (flag[1 - self].get() == 1 && turn.get() == 1 - self)  Thread.yield();  }  static void unlock(int self) {  flag[self].set(0);  }  static void func(int s) {  int i = 0;  int self = s;  System.out.println('Thread Entered: ' + self);  lock(self);  // Critical section (Only one thread can enter here at a time)  for (i = 0; i < MAX; i++)  ans++;  unlock(self);  }  public static void main(String[] args) {  // Initialize the lock  lockInit();  // Create two threads (both run func)  Thread t1 = new Thread(() -> func(0));  Thread t2 = new Thread(() -> func(1));  // Start the threads  t1.start();  t2.start();  try {  // Wait for the threads to end.  t1.join();  t2.join();  } catch (InterruptedException e) {  e.printStackTrace();  }  System.out.println('Actual Count: ' + ans + ' | Expected Count: ' + MAX * 2);  } } 
Python
import threading flag = [0 0] turn = 0 MAX = 10**9 ans = 0 def lock_init(): # This function initializes the lock by resetting the flags and turn. global flag turn flag = [0 0] turn = 0 def lock(self): # This function is executed before entering the critical section. It sets the flag for the current thread and gives the turn to the other thread. global flag turn flag[self] = 1 turn = 1 - self while flag[1-self] == 1 and turn == 1-self: pass def unlock(self): # This function is executed after leaving the critical section. It resets the flag for the current thread. global flag flag[self] = 0 def func(s): # This function is executed by each thread. It locks the critical section increments the shared variable and then unlocks the critical section. global ans self = s print(f'Thread Entered: {self}') lock(self) for _ in range(MAX): ans += 1 unlock(self) def main(): # This is the main function where the threads are created and started. lock_init() t1 = threading.Thread(target=func args=(0)) t2 = threading.Thread(target=func args=(1)) t1.start() t2.start() t1.join() t2.join() print(f'Actual Count: {ans} | Expected Count: {MAX*2}') if __name__ == '__main__': main() 
JavaScript
class PetersonYieldLockMemoryFence {  static flag = [0 0];  static turn = 0;  static MAX = 1000000000;  static ans = 0;  // Function to acquire the lock  static async lock(self) {  PetersonYieldLockMemoryFence.flag[self] = 1;  PetersonYieldLockMemoryFence.turn = 1 - self;  // Asynchronous loop with a small delay to yield  while (PetersonYieldLockMemoryFence.flag[1 - self] == 1 &&  PetersonYieldLockMemoryFence.turn == 1 - self) {  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve 0));  }  }  // Function to release the lock  static unlock(self) {  PetersonYieldLockMemoryFence.flag[self] = 0;  }  // Function representing the critical section  static func(s) {  let i = 0;  let self = s;  console.log('Thread Entered: ' + self);    // Lock the critical section  PetersonYieldLockMemoryFence.lock(self).then(() => {  // Critical section (Only one thread can enter here at a time)  for (i = 0; i < PetersonYieldLockMemoryFence.MAX; i++) {  PetersonYieldLockMemoryFence.ans++;  }    // Release the lock  PetersonYieldLockMemoryFence.unlock(self);  });  }  // Main function  static main() {  // Create two threads (both run func)  const t1 = new Thread(() => PetersonYieldLockMemoryFence.func(0));  const t2 = new Thread(() => PetersonYieldLockMemoryFence.func(1));  // Start the threads  t1.start();  t2.start();  // Wait for the threads to end.  setTimeout(() => {  console.log('Actual Count: ' + PetersonYieldLockMemoryFence.ans + ' | Expected Count: ' + PetersonYieldLockMemoryFence.MAX * 2);  } 1000); // Delay for a while to ensure threads finish  } } // Define a simple Thread class for simulation class Thread {  constructor(func) {  this.func = func;  }  start() {  this.func();  } } // Run the main function PetersonYieldLockMemoryFence.main(); 
C++
// mythread.h (A wrapper header file with assert statements) #ifndef __MYTHREADS_h__ #define __MYTHREADS_h__ #include  #include  #include  // Function to lock a pthread mutex void Pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *m) {  int rc = pthread_mutex_lock(m);  assert(rc == 0); // Assert that the mutex was locked successfully }   // Function to unlock a pthread mutex void Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *m) {  int rc = pthread_mutex_unlock(m);  assert(rc == 0); // Assert that the mutex was unlocked successfully }   // Function to create a pthread void Pthread_create(pthread_t *thread const pthread_attr_t *attr   void *(*start_routine)(void*) void *arg) {  int rc = pthread_create(thread attr start_routine arg);  assert(rc == 0); // Assert that the thread was created successfully } // Function to join a pthread void Pthread_join(pthread_t thread void **value_ptr) {  int rc = pthread_join(thread value_ptr);  assert(rc == 0); // Assert that the thread was joined successfully } #endif // __MYTHREADS_h__ 
C
// mythread.h (A wrapper header file with assert // statements) #ifndef __MYTHREADS_h__ #define __MYTHREADS_h__ #include  #include    #include  void Pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *m) {  int rc = pthread_mutex_lock(m);  assert(rc == 0); }   void Pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *m) {  int rc = pthread_mutex_unlock(m);  assert(rc == 0); }   void Pthread_create(pthread_t *thread const pthread_attr_t *attr   void *(*start_routine)(void*) void *arg) {  int rc = pthread_create(thread attr start_routine arg);  assert(rc == 0); } void Pthread_join(pthread_t thread void **value_ptr) {  int rc = pthread_join(thread value_ptr);  assert(rc == 0); } #endif // __MYTHREADS_h__ 
Python
import threading import ctypes # Function to lock a thread lock def Thread_lock(lock): lock.acquire() # Acquire the lock # No need for assert in Python acquire will raise an exception if it fails # Function to unlock a thread lock def Thread_unlock(lock): lock.release() # Release the lock # No need for assert in Python release will raise an exception if it fails # Function to create a thread def Thread_create(target args=()): thread = threading.Thread(target=target args=args) thread.start() # Start the thread # No need for assert in Python thread.start() will raise an exception if it fails # Function to join a thread def Thread_join(thread): thread.join() # Wait for the thread to finish # No need for assert in Python thread.join() will raise an exception if it fails 

Резултат: 

Thread Entered: 1  
Thread Entered: 0
Actual Count: 2000000000 | Expected Count: 2000000000