使用二进制信号量实现屏障（一种同步结构）

Posted 2023-03-17

【中文标题】使用二进制信号量实现屏障（一种同步结构）

【英文标题】：Implementation of a Barrier(a synchronization construct) using binary semaphore

【发布时间】：2011-12-22 01:59:01

【问题描述】：

Barrier 是一种同步结构，其中一组进程全局同步，即集合中的每个进程到达屏障并等待所有其他进程到达，然后所有进程离开屏障。令集合中的进程数为 3，S 为具有常用 P 和 V 函数的二进制信号量。考虑以下 C 实现的屏障，其中行号显示在左侧。

void barrier (void)     
    1: P(S);
    2: process_arrived++;
    3: V(S);
    4: while (process_arrived !=3);
    5: P(S);
    6: process_left++;
    7: if (process_left==3) 
       
         8: process_arrived = 0;
         9: process_left = 0;
    10: 
    11: V(S);
 

变量 process_arrived 和 process_left 在所有进程之间共享并初始化为零。在并发程序中，三个进程在需要全局同步时都会调用屏障函数。

上述实现会起作用吗？我认为如果两个屏障调用立即连续使用可能会导致死锁，因为进入屏障的第一个进程不会等到 process_arrived 变为零才继续执行 P(S)。

【问题讨论】：

好吧。如果我们假设在调用 barrier() 之前信号量已经初始化为 1，那么所有 3 个线程都应该在 4 处进入讨厌的自旋状态，除非处理器数量小于 3 并且第一个到达的线程的优先级更高比后一个/s，在这种情况下系统将活锁。如果 3 确实设法在循环中出现，则将在 5 处获得锁并通过，将 process_left 设置为 1，但将 process_arrived 设置为 3。然后它可以释放信号量，做一些事情，循环。再次调用 barrier() 并将 process_arrived 设置为 4....

在所有线程都进入屏障之前，不允许线程离开屏障，然后所有线程必须离开屏障，然后任何线程才能再次进入。

然后是全局问题..

谢谢马丁。进入前检查process_arrived的值，离开前检查process_left的值是否有助于解决这个问题？

这可能会迟到，但我有一个问题，如果 2 个进程同时出现，可能不会出现死锁，但随后第三个进程出现并无限期等待 4，因为直到现在 process_arrived = 2。我说的对吗？

【参考方案1】：

提到有3个进程。让它成为P1，P2和P3。每个进程都会到达障碍，即它完成了它的第一部分代码。因此 process_arrived = 3。现在假设 P1 继续执行并离开屏障并使 process_left = 1。现在假设 P1 再次立即调用屏障函数。在这个阶段，process_arrived = 4。 P1 现在等待。很快 P2 离开了屏障，这使得 process_left=2。现在 P3 离开了使 process_left=3 的障碍。 “如果”条件为真，现在 process_arrived 和 process_left 重置为 0。 我们知道 P1 正在等待。在这个阶段假设 P2 调用屏障函数，因此 process_arrived=1 并等待。 P3 调用屏障函数，因此 process_arrived=2。所有进程都已到达障碍，但由于 process_arrived=2，所有进程继续等待。因此陷入僵局。

【讨论】：

我实际上不确定死锁是如何发生的。请评论一下，如果我猜对了吗？

【参考方案2】：

嗯...仅限于三个线程并且只能使用二进制信号量，我很想尝试使用三个信号量 A、B、C。A 控制对 process_arrived 计数的访问，B 和 C 用于第一个和第二个要等待的线程。 A 被初始化为 1，B & C 为 0。线程 1 得到 A，所以阻止 2 & 3 进入。 process_arrived 上的开关导致线程 1 增加 process_arrived，释放 A 并等待 B。线程 2 获得 A，并且开关导致它增加 process_arrived，切换并因此释放 A 并等待 C。线程 3 获得 A，并且开关导致它向 B 发出信号，向 C 发出信号，将 process_arrived 设置为 0，向 A 发出信号并继续。

线程 1 和 2 不能通过 B 和 C，直到 3 发出信号。当 B/C 由 3 发出信号时，1/2 可以运行但不能循环返回并进入屏障，直到 3 释放 A，此时屏障处于正确状态以再次充当屏障 - A 的计数为1、B和C为零，process_arrived为零。