C語言邊角料2 用純軟體來代替Mutex互斥鎖

五、總結

在 linux 系統中，當多個執行緒並行執行時，如果需要訪問同乙個資源，那麼在訪問資源的地方，需要使用作業系統為我們提供的同步原語來進行保護。同步原語包括：互斥鎖、條件變數、訊號量等，被保護的**稱作「臨界區」。

這是非常正規的流程，我們基本上也都是這麼做的。

那有沒有想過，這些同步原語對**的執行效率會產生多大的影響？是否可以不使用作業系統提供的這些機制，而是用其它純軟體的方法也能達到保護臨界區的目的呢？

這篇文章我們介紹一下 peterson(皮特森)演算法，也許實用性不強，但是可以給我們帶來一些思考，提高我們的程式設計元技能。

這個演算法主要用來解決臨界區的保護問題。我們知道，乙個臨界區必須保證 3 個條件：

互斥訪問: 在任意乙個時刻，最多只能有乙個執行緒可以進入臨界區；

空閒讓進：當沒有執行緒正在執行臨界區的**時，必須在所有申請進入臨界區的執行緒中，選擇其中的乙個，讓它進入臨界區；

有限等待：當乙個執行緒申請進去臨界區時，不能無限的等待，必須在有限的時間內獲得許可進入臨界區。也就是說，不論其優先順序多低，不應該餓死在該臨界區入口處。

peterson演算法是乙個實現互斥鎖的併發程式設計演算法，可以控制兩個執行緒訪問乙個共享的使用者資源而不發生訪問衝突。

peterson 演算法是基於雙線程互斥訪問的 lockone 與 locktwo 演算法而來。

lockone 演算法使用乙個 flag 布林陣列

locktwo 使用乙個 turn 的整型量

這 2 個演算法都實現了互斥，但是都存在死鎖的可能。peterson 演算法把這兩種演算法結合起來，完美地用軟體實現了雙線程互斥問題。

演算法說明如下

兩個重要的全域性變數：

flag 陣列：有 2 個布林元素，分別代表乙個執行緒是否申請進入臨界區；

turn：如果 2 個執行緒都申請進入臨界區，這個變數將會決定讓哪乙個執行緒進入臨界區；

// 被 2 個執行緒同時訪問的全域性資源
static int num = 0; 
bool flag[2] = ;
int turn = 0;
void *thread0_routine(void *arg)
return null;
}void *thread1_routine(void *arg)
return null;
}

全域性資源 num 的初始值為0 ，兩個程式設計分別遞增 100 萬次，因此最終結果應該是200 萬，實際測試結果也確實如此。

1. 單執行緒中：mutex 互斥鎖對**執行效率的影響

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)

以上**，耗時約：1.8ms -- 3.5ms。

for (int i = 0; i < 1000000; ++i)

以上**，耗時約：23.9ms -- 38.9ms。可以看出，上鎖和解鎖對**執行效率的影響還是很明顯的。

2. 多執行緒中：mutex 互斥鎖對**執行效率的影響

void *thread0_routine(void *arg)
return null;
}void *thread1_routine(void *arg)
return null;
}

耗時：

thread0: diff = 125.8ms

thread1: diff = 129.1ms

3. 在兩個執行緒中，使用 peterson 演算法來保護臨界區

耗時：

thread1: diff = 1.89ms

thread0: diff = 1.94ms

peterson 演算法使用純軟體來保護臨界區，比使用作業系統提供的互斥鎖表現出了更好的效能。

但是它也有乙個缺點：只能使用在2 個執行緒中，但是由於它與平台無關，在某些特殊的場合，也許能夠拿來為我們所用！

好文章，要**；越分享，越幸運！

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