多处理器编程的艺术（一）-并行与并发

最新推荐文章于 2025-05-30 09:42:44 发布

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JOE-1992

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分类专栏： Java高并发文章标签： java 处理器并发并行

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dingji_ping/article/details/51200857

本文介绍了多处理器编程背景及挑战，重点探讨了互斥概念和临界区，分析了LockOne和LockTwo算法及其死锁问题，并引入Peterson锁作为解决方案。此外，还讲解了Java中实现多线程的两种方法和并发编程的基本概念。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

当处理器的性能的发展受到各方面因素的限制的时候，计算机产业开始用多处理器结构实现并行计算来提高计算的效率。我们使用多处理器共享存储器的方式实现了多处理器编程，也就是多核编程。当然在这样的系统结构下我们面临着各种各样的挑战，例如如何协调各个处理器之间的数据调度以及现代计算机系统固有的异步特征等等。

在接下来的一系列文章中，我将会介绍一些基础的原理以及并行程序的设计和并发程序的设计及实现，写这篇文章是对近期学习课程的总结，方便自己温故实习，感谢USTC付明老师的《多核并行计算》课程，了解更多推荐《The Art of Multiprocessor Programming, Revised Reprint》。

互斥

临界区(Critical Section)

互斥是多处理器程序设计中常见的一种协作方式，互斥的定义：不同线程的临界区之间没有重叠。对于线程A、B以及整数j、k,或者

无死锁：如果一个线程正在尝试获得一个锁，那么总能成功地获得这个锁。若线程A调用lock()但无法获得锁，则一定存在其他的线程正在无穷次地执行临界区。

无饥饿：每一个试图获得锁的线程最终都能成功。每一个lock()调用最重都将返回。这种特性有时称为无封锁特性。

注意：无饥饿意味着无死锁。

双线程的解决方案

我们通过几个算法的实现类分析：

1 . LockOne类

class LockOne implements Lock{
   
   
    private boolean[] flag = new booean[2];
    //线程的标识为0或1
    public void lock(){
        int i = ThreadID.get();// 每个线程通过调用ThreadID.get()获取自己的标识。
        int j = 1-i;  //若当前调用者的标识为i，则另一方为j＝1-i。
        flag[i] = true;
        while(flag[j]){} //wait
    }
    public void unlock(){
        int i = ThreadID.get();
        flag[i] = false;
    }
}

LockOne算法满足互斥特性。

证明假设不成立，考虑每个线程在第k次（第j次）进入临界区前最后一次调用lock()方法的执行情形。

通过观察代码可以看出
writeA(flag[A] = true)->readA(flag[B]==flase)->CSA（1）
writeB(flag[B] = true)->readB(flag[A]==false)->CSB（2）
readA(flag[B]==false)->writeB(flag[B]=true)（3）

当flag[B]被设置为true，将保持不变。公式（3）必须成立，否则线程A不可能读到flag[B]到值为false。

由公式（1）－（2）和先于关系的传递性可导出公式：
writeA(flag[A] = true)->readA(flag[B]==flase)->writeB(flag[B] = true)->readB(flag[A]==false)（4）

由此可以看到，从writeA(flag[A] = true)->readB(flag[A]==false)整个过程没有对flag[]进行写操作，也就是说B线程不可能读到flag[A]==false，得到了矛盾。

**LockOne算法的缺陷：**LockOne算法在交叉执行的时候会出现死锁。若事件writeA(flag[A] = true)与writeB(flag[B] = true)在事件readA(flag[B]==flase)和readB(flag[A]==false)之前发生，那么两个线程都将陷入无穷等待。

2 . LockTwo类

class LockTwo implements Lock{
   
   
    private volatile int victim;
    public void lock(){
        int i = ThreadID.get();
        victim = i;//let the other go first
        while(victim == i){} //wait
    }
    public void unlock(){}
}