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c - 按类型限制多对多的资源访问

问题描述

免责声明：这篇文章包含对以下答案所做的编辑，所有学分归其各自所有者所有。

我正在尝试实现一个问题，该问题指出资源可能被两种类型的线程使用。每种类型可以有更多的线程。（4 个白色类型的螺纹和 6 个黑色类型的螺纹）。任意数量的黑人可以同时使用该资源。白人也一样。我仍然无法解决这个问题......

我尝试使用互斥锁来实现这一点。我还想考虑此实现可能存在的饥饿问题，因此我决定检查是否已达到某种类型的服务线程数，从而允许其他类型工作。我似乎无法实施最新的。

我还想考虑到，每当其他类型想要使用资源时，它必须等待轮到它，以及其他类型完成使用资源。

编辑：我尝试使用@Nominal-Animal的解决方案，但似乎有时也会出现这种死锁。此外，我在结构中添加了缺少的转弯。现在，我有一些额外的问题：

现在，对于一些代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>
#include <pthread.h>

#define WHITES 31
#define BLACKS 33
#define TYPES 2
#define W_ID 0
#define B_ID 1

struct bwlock
{
    pthread_mutex_t lock;    /* Protects the rest of the fields */
    pthread_cond_t wait[2];  /* To wait for their turn */
    volatile int waiting[2]; /* Number of threads waiting */
    volatile int running[2]; /* Number of threads running */
    volatile int started[2]; /* Number of threads started in this turn */
    const int limit[2];      /* Maximum number of starts per turn */
    volatile int black;      /* Black threads' turn */
    volatile int turn;       /*The turn */
};

#define BWLOCK_INIT(whites, blacks, turn)                         \
    {                                                             \
        PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,                                \
            {PTHREAD_COND_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER}, \
            {0, 0}, {0, 0}, {0, 0}, {whites, blacks}, 0, turn     \
    }

struct bwlock resource = BWLOCK_INIT(4, 5, W_ID);

void bwlock_unlock(struct bwlock *bwl, const int isblack)
{
    const int black = !!isblack; /* 0 if white, 1 if black */

    pthread_mutex_lock(&(bwl->lock));

    /* This thread is no longer using the resource. */
    bwl->running[black]--;

    /* Was this the last of this color, with others waiting? */
    if (bwl->running[black] <= 0 && bwl->waiting[!black])
    {
        /* Yes. It's their turn. */
        if (bwl->turn == black)
        {
            bwl->turn = !black;
            /* Clear their started counter. */
            bwl->started[!black] = 0;
        }
        /* Wake them all up. */
        pthread_cond_broadcast(&(bwl->wait[!black]));
    }

    pthread_mutex_unlock(&(bwl->lock));
}

void bwlock_lock(struct bwlock *bwl, const int isblack)
{
    const int black = !!isblack; /* 0 if white, 1 if black */

    pthread_mutex_lock(&(bwl->lock));
    while (1)
    {

        /* No runners or waiters of the other color? */
        if (!(bwl->waiting[!black] < 1) && bwl->running[!black] < 1)
        {
            /* No; we can run. Does this change the turn? */
            if (bwl->turn != black)
            {
                bwl->turn = black;
                /* Clear started counter. */
                bwl->started[black] = 0;
            }
            break;
        }

        /* Still our turn, and not too many started threads? */
        if (bwl->turn == black && bwl->started[black] < bwl->limit[black])
            break;

        /* We must wait. */
        bwl->waiting[black]++;
        pthread_cond_wait(&(bwl->wait[black]), &(bwl->lock));
        bwl->waiting[black]--;
    }

    bwl->started[black]++;
    bwl->running[black]++;

    pthread_mutex_unlock(&(bwl->lock));
}

typedef struct
{
    int thread_id;
    char *type;
    int type_id;
} data;

void use_resource(int thread_id, char *type)
{
    printf("U: Thread %d of type %s is using the resource!\n", thread_id, type);
}

void take_resource(int thread_id, char *type, int type_id)
{
    printf("W:Thread %d of type %s is trying to get the resource!\n", thread_id, type);
    bwlock_lock(&resource, type_id);
    printf("W:Thread %d of type %sB got resource!\n", thread_id, type);
}

void release_resource(int thread_id, char *type, int type_id)
{
    bwlock_unlock(&resource, type_id);
    printf("R:Thread %d of type %s has released the resource!\n", thread_id, type);
}

void *doWork(void *arg)
{
    data thread_data = *((data *)arg);

    int thread_id = thread_data.thread_id;
    char *type = thread_data.type;
    int type_id = thread_data.type_id;
    take_resource(thread_id, type, type_id);
    use_resource(thread_id, type);
    release_resource(thread_id, type, type_id);

    return NULL;
}

data *initialize(pthread_t threads[], int size, char *type, int type_id)
{
    data *args = malloc(sizeof(data) * size);
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        args[i].type = type;
        args[i].thread_id = i;
        args[i].type_id = type_id;
        pthread_create(&threads[i], NULL, doWork, (void **)&args[i]);
    }
    return args;
}

void join(pthread_t threads[], int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
}

int main()
{
    pthread_t whites[WHITES];
    pthread_t blacks[BLACKS];
    char *white = "WHITE";
    char *black = "BLACK";
    data *w_args = initialize(whites, WHITES, white, W_ID);
    data *b_args = initialize(blacks, BLACKS, black, B_ID);

    join(whites, WHITES);
    join(blacks, BLACKS);

    free(w_args);
    free(b_args);

    return 0;
}

这是使用编译的gcc -g -o ba blacks_whites.c -Wall -Wextra -pthread。

标签： cmultithreadingthread-safetyposixstarvation

解决方案

考虑以下对John Bollingers answer的扩展评论。

OP 描述的规则是不完整的。例如，考虑这样一种情况，您有三个黑色线程与资源，一个白色线程等待资源，另一个黑色线程到达并希望获取资源。应该发生什么？如果黑色线程总是获取资源，那么黑色（或白色）线程可能会饿死其他类型的线程。如果所有权在可能的情况下立即更改为其他类型，我们将失去跨相同类型线程的并发性的大部分好处；如果传入线程类型的分布大致均匀，则可能一次只运行一种类型的一个线程，所有线程都是顺序的！

有几种可能的解决方案。似乎符合 OP 问题陈述的一个是允许最多N个黑色黑色线程与资源一起运行，然后切换到轮到白人（如果有的话）；最多N个白色白色线程与资源一起运行，然后切换到黑色。（时间限制，即同一类型的其他线程也可能抢占资源的宽限期，可能是您在实践中实际使用的。）

我们可以用下面的结构来描述这种锁：

struct bwlock {
    pthread_mutex_t    lock;        /* Protects the rest of the fields */
    pthread_cond_t     wait[2];     /* To wait for their turn */
    volatile int       waiting[2];  /* Number of threads waiting */
    volatile int       running[2];  /* Number of threads running */
    volatile int       started[2];  /* Number of threads started in this turn */
    const int          limit[2];    /* Maximum number of starts per turn */
    volatile int       black;       /* Black threads' turn */
};
#define BWLOCK_INIT(whites, blacks) \
    { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, \
      { PTHREAD_COND_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER }, \
      { 0, 0 }, { 0, 0 }, { 0, 0 }, { whites, blacks }, 0 \
    }

lock互斥锁仅在检查字段时保留，而不是在资源访问期间。

（还要注意虽然black初始为0，但当没有跑步者和服务员时，轮到会改变，所以没关系。如果初始black为1，代码将完全一样。）

我们先看释放bwlock，因为它是更有趣的部分；它是控制转弯变化的东西。假设 lock 和 release 都有一个isblack参数（0 或 1）。如果释放线程是它的最后一个颜色，而另一个颜色的线程正在等待，它会改变轮次，并在另一个颜色wait条件变量上广播以唤醒它们：

void bwlock_unlock(struct bwlock *bwl, const int isblack)
{
    const int black = !!isblack;  /* 0 if white, 1 if black */

    pthread_mutex_lock(&(bwl->lock));

    /* This thread is no longer using the resource. */
    bwl->running[black]--;

    /* Was this the last of this color, with others waiting? */
    if ((bwl->running[black] <= 0) && (bwl->waiting[!black] > 0)) {
        /* Yes. It's their turn. */
        if (bwl->black == black) {
            bwl->black = !black;
            /* Clear their started counter. */
            bwl->started[!black] = 0;
        }
        /* Wake them all up. */
        pthread_cond_broadcast(&(bwl->wait[!black]));
    }

    pthread_mutex_unlock(&(bwl->lock));
    return;
}

抓取块更复杂。该限制仅适用于没有其他类型的线程等待的情况（因为如果我们这样做，单一颜色的线程会在没有其他颜色的情况下死锁）。

void bwlock_lock(struct bwlock *bwl, const int isblack)
{
    const int  black = !!isblack; /* 0 if white, 1 if black */

    pthread_mutex_lock(&(bwl->lock));
    while (1) {

        /* No runners or waiters of the other color? */
        if ((bwl->waiting[!black] < 1) && (bwl->running[!black] < 1)) {
            /* No; we can run. Does this change the turn? */
            if (bwl->black != black) {
                bwl->black = black;
                /* Clear started counter. */
                bwl->started[black] = 0;
            }
            break;
        }

        /* Still our turn, and not too many started threads? */
        if ((bwl->black == black) && (bwl->started[black] < bwl->limit[black]))
            break;

        /* We must wait. */
        bwl->waiting[black]++;
        pthread_cond_wait(&(bwl->wait[black]), &(bwl->lock));
        bwl->waiting[black]--;
    }

    bwl->started[black]++;
    bwl->running[black]++;

    pthread_mutex_unlock(&(bwl->lock));
}

pthread_cond_wait(&(bwl->wait[black]), &(bwl->lock))释放锁并等待条件变量上的信号或广播。收到信号后，它将在返回之前重新获取锁。（在释放锁和等待条件变量时没有竞争窗口；它在同一时间点以原子方式有效地发生。）

如果您考虑上面的逻辑，则bwlock_unlock()当特定颜色的最后一个运行线程应将“接力棒”处理给另一个线程集时，处理的情况。确定bwlock_lock()线程是否可以使用资源运行，还是需要等待。只有当没有其他颜色的线程在运行或等待轮到它们时，它才会改变轮到。

这是一个相当简单的方案，但您可能需要考虑几种情况才能理解它的行为。

当轮次started改变时计数器被清除，并为在该轮次中启动的每个线程递增。当它达到limit时，将不再启动该类型的线程；他们将等待轮到他们。

比方说limit，{3, 3}你每种类型都有四个线程，它们基本上都是同时冲向bwlock的。假设第一个获取锁的线程是黑色的。前三个黑色线程将与资源一起运行，一个黑色和四个白色线程将等待条件变量。当轮换时，三个白色线程开始运行；一个白色，一个随机的，将重新等到下一个白色转弯。

此外，正如 Craig Estey 在对 John Bollingers 回答的评论中指出的那样，这并不能保证同一类型线程之间的公平性。例如，如果 A 和 B 属于同一类型，A 在其回合中多次访问受 bwlock 保护的资源，而 B 只访问一次，则 B 可能必须无限期地等待才能获得回合，因为 A “贪婪”它的所有插槽。

为了保证公平，我们需要某种票证锁或有序等待队列，这样我们就可以唤醒limit特定颜色的等待时间最长的线程，而不是随机等待的线程。

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