操作系统 Peterson 算法和互斥锁实验四

本文通过实验介绍了并发环境下线程安全问题的解决方案,探讨了Peterson算法和互斥锁在保证临界区操作正确性方面的作用。实验中,通过模拟售票场景展示了并发可能导致的错误输出,如票数负值。接着,应用Peterson算法和互斥锁修复了问题,确保了在多线程环境下共享资源的正确访问。实验结果显示,两种方法都能有效避免并发错误,保证了程序的正确运行。

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操作系统 Peterson 算法和互斥锁实验四

一、实验目的

线程的运行时并发的,如果互不相干的线程交替运行不会产生问题。但是如果有共享资源、合作关系的线程之间由于交替运行可能产生问题,例如偶尔出现程序的结果不正常。
解决线程并发带来的问题有多种办法,本实验验证如下 2 种方法:

  1. 利用软件的方法 Peterson 算法来保证临界区的操作属性。
  2. 利用互斥锁确保共享资源每个时刻只能被一个线程访问。关于互斥锁涉及到几个函数, 详见讲解视频https://www.bilibili.com/video/BV1L54y1D7tj。

二、实验步骤

  1. 编写程序 threadtest4 创建多个线程模拟多个窗口卖票的问题,测试由于线程的并发导致了错误的结果的输出。
    (1) 源程序表示了由两个线程模拟两个窗口同时卖票,初始票总数为 20,每卖出一张票打印剩余票数。
    在这里插入图片描述

(2) 编译源代码,运行结果如下截图,根据运行结果可以看出本次打印剩余票数在正常范围 19~0,未出现异常情况。
在这里插入图片描述

(3) 接下来修改代码,在卖票当中增加一条代码 sleep(1),它表示延迟 1 秒或睡眠1 秒, 它会大概率导致线程调度在此处切换。修改如下:
在这里插入图片描述

(4) 重新编译,再次运行修改后的可执行文件,结果如下截图,此次就出现异常数据,剩 余票数-1,-2。
在这里插入图片描述

分析原因由于并发,多个线程交替运行,可能在任何代码下中断程序切换成另一个线程。
2. 编写程序 threadtest5,给临界区代码加入 Peterson 算法,解决第 1 个实验的错误输

出。
(1) 参考代码如下:
在这里插入图片描述

(2) 重新编译,多次运行,结果均未测到异常数据,验证了 Peterson 算法来保证临界区的操作属性。
在这里插入图片描述

  1. 编写程序 threadtest6,采用第 2 个方法互斥锁来确保临界区属性,同样也可以解决第 1 个实验的错误输出。
    (1) 第 1 步查询帮助互斥锁

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

(2) 第 2 步编写程序 threadtest6,给临界区代码加入互斥锁,再次测试,结果是怎么样呢?参考代码如下: 在这里插入图片描述

(3) 重新编译,结果均未测到异常数据,运行结果如下:
在这里插入图片描述

结论:加了互斥锁后,多次运行都没有错误的出现。互斥锁可以保证只能一个线程进入临界区修改共享变量,其他线程等待。

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