Java 并发之Concurrent 包综述

/**
 * dekker算法基本约束：
 *      某一时刻对某一内存地只能进行一次访问
 * 1.设置flag做为两个线程进入临界区的密钥，当一个线程失败，其他仍可访问
 *      - 每个线程只能改变自身的flag，只能检查其他线程的flag而不能改变
 *      - 当一个线程要进入临界区，需周期性检查另一个线程flag，直到另一线程不在临界区
 *      - 当线程进入临界区时，应立即设置自身flag为true，表明占领临界区
 *      - 当线程离开临界区时，应立即设置自身flag为false，表明释放临界区
 * 2.设置turn用于安排临界区的访问顺序，访问线程必须重复读取turn值直到被允许进入临界区
 *      - 当turn值等于线程号，该线程可以进入其临界区
 *      - 否则，该线程必须被强制等待（忙等待或自旋等待）
 */
public class dekker {
    //观察两个线程的状态
    boolean[] flag = {false,false};
    //表示临界区访问权限的轮转，初始权利给p1 -- 安排执行顺序避免谦让造成的活锁问题
    int turn = 1;
    public void p0(){
        while (true){
            //设置p0的flag为true，同时检查p1的flag
            flag[0] = true;
            while (flag[1]){
                //当临界区不可用时，判断当前临界区权限是否是p1
                if (turn == 1){ // 用于处理活锁问题
                    //当临界区权限是p1时，需要将p0设置为false，使得p1能进入临界区，用于处理死锁问题
                    flag[0] = false;
                    //循环校验turn的权限(空自旋)，直到p1执行完毕将权限交给p0
                    while (turn == 1){
                        /** do nothing 空自旋 **/
                    }
                    flag[0] = true;//此时p1应已执行完毕，应当禁止p1进入临界区
                }
            }
            //当p1的flag为false时，p0可以立即进入临界区
            /** critical section 临界区 **/
            //当临界区执行完之后，turn设置为1，将临界区访问权限交换给p1
            //并将p0的flag设置为false，释放临界区，使得p1可进入临界区
            turn = 1;
            flag[0] = false;
            /** do otherthings **/
        }
    }
    public void p1(){
        while (true){
            //设置p1的flag为true，同时检查p0的flag
            flag[1] = true;
            while (flag[0]){
                //当临界区不可用时，判断当前临界区权限是否是p0
                if (turn == 0){ //用于处理活锁问题
                    //当临界区权限是p0时，需要将p1设置为false，使得p0能进入临界区，用于处理死锁问题
                    flag[1] = false;
                    //循环校验turn的权限(空自旋)，直到p0执行完毕将权限交给p1
                    while (turn == 0){
                        /** do nothing 空自旋 **/
                    }
                    flag[1] = true;//此时p0应已执行完毕，应当禁止p0进入临界区
                }
            }
            //当p0的flag为false时，p1可以立即进入临界区
            /** critical section 临界区 **/
            //当临界区执行完之后，turn设置为0，将临界区访问权限交换给p0
            //同时将p1的flag设置为false，释放临界区，使得p0可进入临界区
            turn = 0;
            flag[1] = false;
            /** do otherthings **/
        }
    }
    public static void main(){
        /** 并发执行p0 p1 读者有兴趣可自己验证一下**/
    }
}

/**
 * peterson算法比dekker算法更加简单出色而且很容易推广到多个线程
 *     1.互斥保护验证：p0角度
 *      - 当po设置flag[0]=true，则p1不能进入临界区
 *      - 当p1已进入临界区，而flag[1]=true，p0不能进入临界区
 *     2.避免相互阻塞验证：p0角度
 *      - 当p0在while循环中被阻塞，此时flag[1]=true且turn=1
 *      - 当flag[1]=false或turn=0，此时p0可以进入临界区
 *     3.复杂度：该算法用简单的交替进入临界区的方式降低了并发互斥的复杂度
 */
public class peterson {
    boolean[] flag = {false,false};//表明每个互斥线程的位置
    int turn = 0;//解决同时发生的冲突
    public void p0(){
        while (true){
            flag[0] = true;
            //每次都要显式设置turn=1并作为while空自旋条件，迫使其他线程也有进入临界区的机会
            //这也是解决互斥的一个简洁方案，大家依次来，不能重复独占
            turn = 1;
            while (flag[1] && turn == 1){
                /** do nothing 空自旋**/
            }
            /** critical section 临界区 **/
            flag [0] = false;
            /** do otherthings **/
        }
    }
    public void p1(){
        while (true){
            flag[1] = true;
            turn = 0;
            while (flag[0] && turn == 0){
                /** do nothing 空自旋**/
            }
            /** critical section 临界区 **/
            flag [1] = false;
            /** do otherthings **/
        }
    }
    public static void main(){
        /** 并发执行p0 p1 读者有兴趣可自己验证一下**/
    }
}

/**
 * 设计原则：任何时候只能一个线程可以用wait和signal操作控制一个信号量
 * 要求：semwait和semsingal操作必须作为原子原语实现
 * semaphore信号量（以下都简称sem）的属性 
 *      flag : 表示信号量是否可用，默认是0
 *      count: 
 *          当>=0时,表示可执行semwait而不被挂起的线程数
 *          当<0时,表示挂起在信号量的等待队列的线程数
 *      queue: 表示信号量相关联的等待队列，被阻塞的线程需放入该队列中
 *  ps:这里我们选用boolean版本的cas
 */
semwait(sem){
    //当发现sem.flag不为0时，就自旋等待直到为0
    //补充一点：忙等待可以保证队列操作的同步，
    //但由于wait和signal执行时间短，其开销还是很小的
    while(!compare_and_swap(sem.flag,0,1));
    sem.count--;
    if(sem.count < 0){
        /** 该线程进入sem.queue等待队列中并被阻塞 **/
    }
    sem.flag = 0;
}
semsignal(sem){
    //当发现sem.flag不为0时，就自旋等待直到为0
    while(!compare_and_swap(sem.flag,0,1));
    sem.count++;
    if(sem.count <= 0){
        /** 从sem.queue等待队列中移出，被移出的线程进入就绪队列**/
    }
    sem.flag = 0;
}

final int n = /** 线程数 **/
int s = 1;//semaphore
public void p(int i){
    while(true){
        semwait(s);
        /** critical zone 临界区 **/
        semsignal(s);
        /** do other 其他部分 **/
    }
}