门 | GATE-CS-2002 | 问题 24

题目描述

有两个并发进程P1和P2，共享变量x和y，初始值均为0。

int x = 0, y = 0;

要求这两个进程并发执行其各自的代码段，同时通过使用同步机制保证pthread x和pthread y不会同时被两个进程持有。

// Process P1
while (true) {
    pthread_lock(x);
    // 进行x的操作
    pthread_unlock(x);
}

// Process P2
while (true) {
    pthread_lock(y);
    // 进行y的操作
    pthread_unlock(y);
}

有一个门（gate）可以任意数目的进程通过。

pthread_gate_t gate;

在gate记录所有成功通过的进程，直到该进程退出。

pthread_gate_wait(gate); // 等待进入门
// 进行操作
pthread_gate_wait(gate); // 离开门

问题

使用上述提供的机制，设计算法使进程P1和P2并发执行，其中P1仅在x的值为0时对x进行操作，而P2仅在y的值为0时对y进行操作。仅允许通过共享的门从P1到P2传递控制，从而确保P2不会在P1准备对x进行操作时对y进行操作。请注意，您不能使用在gate上等待的唯一进程特定的机制（即您无法使用pthread_signal或pthread_broadcast）。

解答

我们可以通过以下算法解决这个问题：

• P1尝试获取x的锁，如果x的值不为0，则打开门并等待P2进入。
• 当P2进入门时，P1释放x的锁并等待P2改变y的值。
• 当P2完成y的操作后，P2打开门，让P1通过，等待P1准备好进行x的操作。
• 当P1完成x的操作后，P1通过门，等待P2再次准备好进行y的操作。

以下是完整的代码实现。

pthread_mutex_t x_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t y_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t gate_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int x = 0, y = 0;

void func_P1() {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&x_mutex);
        while (x != 0) {
            pthread_cond_wait(&gate_cond, &x_mutex);
        }
        // 进行操作
        x = 1;
        pthread_mutex_unlock(&x_mutex);
        pthread_cond_broadcast(&gate_cond); // 开放门
    }
}

void func_P2() {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&y_mutex);
        while (y != 0) {
            pthread_cond_wait(&gate_cond, &y_mutex);
        }
        // 进行操作
        y = 1;
        pthread_mutex_unlock(&y_mutex);
        pthread_cond_broadcast(&gate_cond); // 开放门
    }
}

int main() {
    pthread_t p1, p2;
    pthread_create(&p1, NULL, func_P1, NULL);
    pthread_create(&p2, NULL, func_P2, NULL);
    pthread_join(p1, NULL);
    pthread_join(p2, NULL);

    return 0;
}

我们首先初始化了x_mutex，y_mutex和gate_cond。在func_P1和func_P2函数中，我们使用while循环来判断x和y的值是否为0，如果不是则等待，直到门打开。如果值为0，则进行操作并将其值设置为1，然后打开门。门通过使用pthread_cond_broadcast来实现，它会唤醒所有等待该条件的线程。最后，我们创建两个线程p1和p2，等待它们被join，并返回0。

以上便是此算法的完整解答。