Ongelma: Annettuna 2 prosessi I ja J sinun on kirjoitettava ohjelma, joka voi taata keskinäisen poissulkemisen näiden kahden välillä ilman ylimääräistä laitteistotukea.
CPU -kellosyklien tuhlaus
Maapalloilla, kun säie odotti käännöstä, se päättyi pitkään silmukkaan, joka testasi ehtoa miljoonia kertoja sekunnissa, mikä teki tarpeetonta laskentaa. On parempi tapa odottaa ja se tunnetaan nimellä 'Saanto' .
Ymmärtääksemme, mitä se tekee, meidän on kaivettava syvälle, kuinka prosessiaikataulu toimii Linuxissa. Tässä mainittu idea on yksinkertaistettu versio aikataulusta. Todellisella toteutuksella on paljon komplikaatioita.
Harkitse seuraavaa esimerkkiä
On olemassa kolme prosessia P1 P2 ja P3. Prosessi P3 on sellainen, että sen koodissamme on jonkin aikaa samanlainen silmukka, joka ei tee niin hyödyllistä laskentaa ja se on olemassa silmukasta vain, kun P2 lopettaa suorituksensa. Aikataulu asettaa ne kaikki pyöreään Robin -jonoon. Sano nyt, että prosessorin kellonopeus on 1000000/s ja se allokoi 100 kelloa jokaiselle prosessille jokaisessa iteraatiossa. Sitten ensin P1 suoritetaan 100 kelloa (0,0001 sekuntia), sitten P2 (0,0001 sekuntia), jota seuraa P3 (0,0001 sekuntia) nyt, koska prosesseja ei ole enää tätä sykliä toistuu, kunnes P2 päättyy ja seuraa sitten P3: n suoritus ja lopulta sen päättyminen.
Tämä on 100 prosessorin kellosyklin täydellinen tuhlaus. Tämän välttämiseksi luopumme molemminpuolisesti CPU -aikaviipaleesta, ts. Saanto, joka päättyy olennaisesti tällä aikaviipaleella ja aikataulu poimii seuraavan suoritettavan prosessin. Nyt testaamme tilaamme kerran, sitten luopumme suorittimesta. Kun otetaan huomioon, että testimme kestää 25 kellosykliä, säästämme 75% laskennasta aikaviipaleella. Tämän graafisesti
Kun otetaan huomioon prosessorin kellonopeus 1MHz: nä, tämä on paljon säästöä!.
Eri jakaumat tarjoavat erilaisen toiminnon tämän toiminnallisuuden saavuttamiseksi. Linux tarjoaa Sched_yield () .
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(); }
Muisti -aita.
Aikaisemman opetusohjelman koodi on saattanut työskennellä useimmissa järjestelmissä, mutta se ei ollut 100% oikea. Logiikka oli täydellinen, mutta nykyaikaisimmalla prosessorilla käytettiin suorituskyvyn optimointeja, jotka voivat johtaa tilauksen ulkopuolelle. Tämä muistioperaatioiden (kuormitusten ja varastojen) uudelleenjärjestely jää yleensä huomaamatta yhdessä suorituskyvyn säikeessä, mutta voi aiheuttaa ennakoimattoman käyttäytymisen samanaikaisissa ohjelmissa.
Harkitse tätä esimerkkiä
C
while (f == 0); // Memory fence required here print x;
Yllä olevassa esimerkissä kääntäjä pitää kahta lausuntoa toisistaan riippumattomina ja yrittää siten lisätä kooditehokkuutta tilaamalla ne uudelleen, mikä voi johtaa ongelmiin samanaikaisissa ohjelmissa. Tämän välttämiseksi asetamme muisti -aidan, joka antaa kääntäjälle vihjeen mahdollisesta suhteesta esteen lauseiden välillä.
Joten lausuntojärjestys
lippu [itse] = 1;
käännä = 1-itse;
kun taas (käännä kuntotarkistus)
sato ();
On oltava täsmälleen sama, jotta lukko toimii, muuten se päätyy umpikujaan.
Varmistaaksesi, että tämä kääntäjät antavat ohjeen, joka estää lausuntojen tilaamisen tämän esteen yli. GCC: n tapauksessa __sync_synchronize () .
Joten muokattu koodi tulee
Täydellinen toteutus 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
Lähtö:
Thread Entered: 1
Thread Entered: 0
Actual Count: 2000000000 | Expected Count: 2000000000