Algorithme de Peterson pour l'exclusion mutuelle | Ensemble 2 (cycles CPU et barrière de mémoire)
Problème: Étant donné 2 processus i et j, vous devez écrire un programme capable de garantir une exclusion mutuelle entre les deux sans aucun support matériel supplémentaire.
Gaspillage des cycles d'horloge du processeur
En termes simples, lorsqu'un thread attendait son tour, il se terminait par une longue boucle while qui testait la condition des millions de fois par seconde, effectuant ainsi des calculs inutiles. Il existe une meilleure façon d'attendre et elle est connue sous le nom de 'rendement' .
Pour comprendre ce qu'il fait, nous devons approfondir le fonctionnement du planificateur de processus sous Linux. L'idée mentionnée ici est une version simplifiée du planificateur dont la mise en œuvre réelle présente de nombreuses complications.
Considérons l'exemple suivant
Il existe trois processus P1 P2 et P3. Le processus P3 est tel qu'il possède une boucle while similaire à celle de notre code qui effectue des calculs peu utiles et il n'existe à partir de la boucle que lorsque P2 termine son exécution. Le planificateur les place tous dans une file d'attente à tour de rôle. Supposons maintenant que la vitesse d'horloge du processeur soit de 1 000 000/s et qu'il alloue 100 horloges à chaque processus à chaque itération. Ensuite, d'abord P1 sera exécuté pendant 100 horloges (0,0001 secondes), puis P2 (0,0001 secondes) suivi de P3 (0,0001 secondes) maintenant puisqu'il n'y a plus de processus, ce cycle se répète jusqu'à la fin de P2, puis suivi de l'exécution de P3 et éventuellement de sa fin.
Il s'agit d'un gaspillage total des 100 cycles d'horloge du processeur. Pour éviter cela, nous abandonnons mutuellement la tranche de temps CPU, c'est-à-dire le rendement qui met essentiellement fin à cette tranche de temps et le planificateur reprend le processus suivant à exécuter. Maintenant, nous testons notre condition une fois, puis nous abandonnons le CPU. Étant donné que notre test prend 25 cycles d'horloge, nous économisons 75 % de notre calcul dans une tranche de temps. Pour mettre cela graphiquement
Considérant que la vitesse d'horloge du processeur est de 1 MHz, cela représente une économie considérable !
Différentes distributions fournissent différentes fonctions pour atteindre cette fonctionnalité. Linux fournit 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 (); }
Clôture de la mémoire.
Le code du didacticiel précédent aurait pu fonctionner sur la plupart des systèmes, mais il n'était pas correct à 100 %. La logique était parfaite, mais la plupart des processeurs modernes utilisent des optimisations de performances qui peuvent entraîner une exécution dans le désordre. Cette réorganisation des opérations de mémoire (chargements et stockages) passe normalement inaperçue au sein d'un seul thread d'exécution mais peut provoquer un comportement imprévisible dans les programmes concurrents.
Considérez cet exemple
while ( f == 0 ); // Memory fence required here print x ;
Dans l'exemple ci-dessus, le compilateur considère les 2 instructions comme indépendantes l'une de l'autre et tente ainsi d'augmenter l'efficacité du code en les réorganisant, ce qui peut entraîner des problèmes pour les programmes concurrents. Pour éviter cela, nous plaçons une barrière mémoire pour donner une indication au compilateur sur la relation possible entre les instructions à travers la barrière.
Donc l'ordre des déclarations
drapeau[soi] = 1;
tour = 1-soi ;
while (vérification de l'état du virage)
rendement();
doit être exactement le même pour que le verrou fonctionne, sinon il se retrouvera dans une condition de blocage.
Pour garantir cela, les compilateurs fournissent une instruction qui empêche l’ordre des instructions au-delà de cette barrière. Dans le cas de gcc, c'est __sync_synchronize() .
Le code modifié devient donc
Implémentation complète en 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: %d n ' 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:' ' %d n ' ans MAX * 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
Sortir:
Thread Entered: 1
Thread Entered: 0
Actual Count: 2000000000 | Expected Count: 2000000000
