C語言如何利用軟件代替Mutex互斥鎖

這篇文章主要介紹“C語言如何利用軟件代替Mutex互斥鎖”的相關(guān)知識(shí)，小編通過實(shí)際案例向大家展示操作過程，操作方法簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，希望這篇“C語言如何利用軟件代替Mutex互斥鎖”文章能幫助大家解決問題。

一、前言

在 Linux  系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)線程并行執(zhí)行時(shí)，如果需要訪問同一個(gè)資源，那么在訪問資源的地方，需要使用操作系統(tǒng)為我們提供的同步原語來進(jìn)行保護(hù)。同步原語包括：互斥鎖、條件變量、信號(hào)量等，被保護(hù)的代碼稱作“臨界區(qū)”。這是非常正規(guī)的流程，我們基本上也都是這么做的。

二、Peterson 算法簡介

這個(gè)算法主要用來解決臨界區(qū)的保護(hù)問題。我們知道，一個(gè)臨界區(qū)必須保證 3 個(gè)條件：

1. 互斥訪問: 在任意一個(gè)時(shí)刻，最多只能有一個(gè)線程可以進(jìn)入臨界區(qū);

2. 空閑讓進(jìn)：當(dāng)沒有線程正在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時(shí)，必須在所有申請進(jìn)入臨界區(qū)的線程中，選擇其中的一個(gè)，讓它進(jìn)入臨界區(qū);

3. 有限等待：當(dāng)一個(gè)線程申請進(jìn)去臨界區(qū)時(shí)，不能無限的等待，必須在有限的時(shí)間內(nèi)獲得許可進(jìn)入臨界區(qū)。也就是說，不論其優(yōu)先級(jí)多低，不應(yīng)該餓死在該臨界區(qū)入口處。

Peterson算法是一個(gè)實(shí)現(xiàn)互斥鎖的并發(fā)程序設(shè)計(jì)算法，可以控制兩個(gè)線程訪問一個(gè)共享的用戶資源而不發(fā)生訪問沖突。

Peterson 算法是基于雙線程互斥訪問的 LockOne 與 LockTwo 算法而來。

1. LockOne 算法使用一個(gè) flag 布爾數(shù)組來實(shí)現(xiàn)互斥;

2. LockTwo 使用一個(gè) turn 的整型量來實(shí)現(xiàn)互斥;

這 2 個(gè)算法都實(shí)現(xiàn)了互斥，但是都存在死鎖的可能。Peterson 算法把這兩種算法結(jié)合起來，完美地用軟件實(shí)現(xiàn)了雙線程互斥問題。

算法說明如下

兩個(gè)重要的全局變量：

1. flag 數(shù)組：有 2 個(gè)布爾元素，分別代表一個(gè)線程是否申請進(jìn)入臨界區(qū);

2. turn：如果 2 個(gè)線程都申請進(jìn)入臨界區(qū)，這個(gè)變量將會(huì)決定讓哪一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū);

三、測試代碼

// 被 2 個(gè)線程同時(shí)訪問的全局資源 static int num = 0;   BOOL flag[2] = { 0 }; int turn = 0;  void *thread0_routine(void *arg) {     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)     {         flag[0] = TRUE;         turn = 1;         while (TRUE == flag[1] && 1 == turn);          // 臨階區(qū)代碼         num++;                   flag[0] = FALSE;     }          return NULL; }  void *thread1_routine(void *arg) {     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)     {         flag[1] = TRUE;         turn = 0;         while (TRUE == flag[0] && 0 == turn);          // 臨階區(qū)代碼         num++;                  flag[1] = FALSE;     }      return NULL; }

全局資源 num 的初始值為 0 ，兩個(gè)編程分別遞增 100 萬次，因此最終結(jié)果應(yīng)該是 200 萬，實(shí)際測試結(jié)果也確實(shí)如此。

四、Mutex 互斥鎖對代碼執(zhí)行效率的影響

1. 單線程中：Mutex 互斥鎖對代碼執(zhí)行效率的影響

for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {     num++; }

以上代碼，耗時(shí)約：1.8ms -- 3.5ms。

for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {     pthread_mutex_lock(&mutex);     num++;     pthread_mutex_unlock(&mutex); }

以上代碼，耗時(shí)約：23.9ms -- 38.9ms。可以看出，上鎖和解鎖對代碼執(zhí)行效率的影響還是很明顯的。

2. 多線程中：Mutex 互斥鎖對代碼執(zhí)行效率的影響

void *thread0_routine(void *arg) {     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)     {         pthread_mutex_lock(&mutex);         num++;         pthread_mutex_unlock(&mutex);     }          return NULL; }  void *thread1_routine(void *arg) {     for (int i = 0; i < 1000000; ++i)     {         pthread_mutex_lock(&mutex);         num++;         pthread_mutex_unlock(&mutex);     }      return NULL; }

耗時(shí)：

• thread0: diff = 125.8ms

• thread1: diff = 129.1ms

3. 在兩個(gè)線程中，使用 Peterson 算法來保護(hù)臨界區(qū)

耗時(shí)：

• thread1: diff = 1.89ms

• thread0: diff = 1.94ms

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