C語言如何利用軟件代替Mutex互斥鎖

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一、前言

在 Linux  系統中，當多個線程并行執行時，如果需要訪問同一個資源，那么在訪問資源的地方，需要使用操作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、條件變量、信號量等，被保護的代碼稱作“臨界區”。這是非常正規的流程，我們基本上也都是這么做的。

二、Peterson 算法簡介

這個算法主要用來解決臨界區的保護問題。我們知道，一個臨界區必須保證 3 個條件：

1. 互斥訪問: 在任意一個時刻，最多只能有一個線程可以進入臨界區;

2. 空閑讓進：當沒有線程正在執行臨界區的代碼時，必須在所有申請進入臨界區的線程中，選擇其中的一個，讓它進入臨界區;

3. 有限等待：當一個線程申請進去臨界區時，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，不論其優先級多低，不應該餓死在該臨界區入口處。

Peterson算法是一個實現互斥鎖的并發程序設計算法，可以控制兩個線程訪問一個共享的用戶資源而不發生訪問沖突。

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 flag 布爾數組來實現互斥;

2. LockTwo 使用一個 turn 的整型量來實現互斥;

這 2 個算法都實現了互斥，但是都存在死鎖的可能。Peterson 算法把這兩種算法結合起來，完美地用軟件實現了雙線程互斥問題。

算法說明如下

兩個重要的全局變量：

1. flag 數組：有 2 個布爾元素，分別代表一個線程是否申請進入臨界區;

2. turn：如果 2 個線程都申請進入臨界區，這個變量將會決定讓哪一個線程進入臨界區;

三、測試代碼

// 被 2 個線程同時訪問的全局資源 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);          // 臨階區代碼         num++;                  flag[1] = FALSE;     }      return NULL; }

全局資源 num 的初始值為 0 ，兩個編程分別遞增 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。

四、Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響

1. 單線程中：Mutex 互斥鎖對代碼執行效率的影響

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

以上代碼，耗時約：1.8ms -- 3.5ms。

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

以上代碼，耗時約：23.9ms -- 38.9ms。可以看出，上鎖和解鎖對代碼執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：

• thread0: diff = 125.8ms

• thread1: diff = 129.1ms

3. 在兩個線程中，使用 Peterson 算法來保護臨界區

耗時：

• thread1: diff = 1.89ms

• thread0: diff = 1.94ms

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