Алгоритм Деккера

Алгоритм Деккера - первое известное корректное решение проблемы взаимного исключения в конкурентном программировании. Эдсгер Дейкстра ссылается на голландского математика Т. Деккера как на автора данного алгоритма в своей работе о межпроцессном взаимодействии^[1]. Он позволяет двум потокам выполнения совместно использовать неразделяемый ресурс без возникновения конфликтов, используя только общую память для коммуникации.

Введение

Если два процесса пытаются перейти в критическую секцию одновременно, алгоритм позволит это только одному из них, основываясь на том, чья в этот момент очередь. Если один процесс уже вошёл в критическую секцию, другой будет ждать, пока первый покинет её. Это реализуется при помощи использования двух флагов (индикаторов "намерения" войти в критическую секцию) и переменной turn (показывающей, очередь какого из процессов наступила).

Псевдокод

flag[0] := false flag[1] := false turn := 0 // or 1
p0: flag[0] := true while flag[1] = true { if turn = 1 { flag[0] := false while turn = 1 { } flag[0] := true } } // критическая секция ... turn := 1 flag[0] := false // конец критической секции ...	p1: flag[1] := true while flag[0] = true { if turn = 0 { flag[1] := false while turn = 0 { } flag[1] := true } } // критическая секция ... turn := 0 flag[1] := false // конец критической секции ...

Процессы объявляют о намерении войти в критическую секцию; это проверяется внешним циклом «while». Если другой процесс не заявил о таком намерении, в критическую секцию можно безопасно войти (вне зависимости от того, чья сейчас очередь). Взаимное исключение всё равно будет гарантировано, так как ни один из процессов не может войти в критическую секцию до установки этого флага (подразумевается, что, по крайней мере, один процесс войдёт в цикл «while»). Это также гарантирует продвижение, так как не будет ожидания процесса, оставившего «намерение» войти в критическую секцию. В ином случае, если переменная другого процесса была установлена, входят в цикл «while» и переменная turn будет показывать, кому разрешено войти в критическую секцию. Процесс, чья очередь не наступила, оставляет намерение войти в критическую секцию до тех пор, пока не придёт его очередь (внутренний цикл «while»). Процесс, чья очередь пришла, выйдет из цикла «while» и войдёт в критическую секцию.

Алгоритм Деккера гарантирует взаимное исключение, невозможность возникновения deadlock или starvation. Рассмотрим, почему справедливо последнее свойство. Предположим, что p0 остался внутри цикла «while flag[1]» навсегда. Поскольку взаимная блокировка произойти не может, рано или поздно p1 достигнет своей критической секции и установит turn = 0 (значение turn будет оставаться постоянным пока p0 не продвигается). p0 выйдет из внутреннего цикла «while turn = 1» (если он там находился). После этого он присвоит flag[0] значение true и будет ждать, пока flag[1] примет значение false (так как turn = 0, он никогда не выполняет действия в цикле «while»). В следующий раз когда p1 попытается войти в критическую секцию, он будет вынужден исполнить действия в цикле «while flag[0]». В частности, он присвоит flag[1] значение false и будет исполнять цикл «while turn = 0» (так как turn остаётся равной 0). Когда в следующий раз управление перейдёт к p0, он выйдет из цикла «while flag[1]» и войдёт в критическую секцию.

Если модифицировать алгоритм так, чтобы действия в цикле «while flag[1]» выполнялись без проверки условия «turn = 0», то появится возможность starvation. Таким образом, все шаги алгоритма являются необходимыми.

Особенности

Одним из преимуществ алгоритма является то, что он не требует специальных Test-and-set инструкций (атомарная операция чтения, модификации и записи) и вследствие этого он легко переносим на разные языки программирования и архитектуры компьютеров. Недостатками можно назвать его применимость к случаю только с двумя процессами и использование Busy waiting вместо приостановки процесса (использование busy waiting предполагает, что процессы должны проводить минимальное количество времени внутри критической секции).

Современные операционные системы предоставляют примитивы синхронизации более общие и гибкие по сравнению с алгоритмом Деккера. Тем не менее, следует заметить, что в случае отсутствия реальной конкуренции между двумя процессами, операции входа в критическую секцию и выхода из неё будут являться очень эффективными при использовании этого алгоритма.

Многие современные микропроцессоры исполняют инструкции не по порядку. Алгоритм не будет работать на SMP-машинах, оборудованных такими CPU, если не использовать барьеры памяти.

Примечания

1. ↑ E.W. Dijkstra, Cooperating Sequential Processes, 1965.

См. также

• Алгоритм Петерсона
• Алгоритм пекарни Лемпорта