分布式系统互斥中的 Ricart-Agrawala 算法

什么是分布式系统互斥问题

在分布式系统中，由于多个进程同时访问共享资源而引发的互斥问题，需要通过协作来解决。

Ricart-Agrawala 算法简介

Ricart-Agrawala 算法是一种分布式系统互斥算法，它通过对进程之间的消息交流来解决互斥问题。

算法流程

1. 当一个进程请求访问共享资源时，它向所有其它进程发送一个请求消息；
2. 当一个进程收到请求消息时，它先检查自己是否正在访问共享资源，如果是，则返回一个延迟消息；
3. 否则，它比较自己与请求进程时钟的大小，如果自己比较领先，则返回一个同意消息，否则返回一个延迟消息；
4. 当请求进程收到所有进程的消息时，如果所有消息都是同意消息，则进程可以访问共享资源；否则需要重新发送请求消息。

代码实现

class RicartAgrawalaMutex:
    def __init__(self, process_id, n):
        self.process_id = process_id
        self.n = n
        self.clock = 0
        self.accessing = False
        self.request_queue = []
        self.deferred_queue = [[] for _ in range(n)]
        
    def request_cs(self):
        self.clock += 1
        self.accessing = True
        self.request_queue = [(self.clock, self.process_id)]
        for j in range(self.n):
            if j != self.process_id:
                self.deferred_queue[j].append((self.clock, self.process_id))
                self.send_request((self.clock, self.process_id), j)
        
        while len(self.request_queue) < self.n - 1:
            pass
        
    def release_cs(self):
        self.accessing = False
        for i in self.deferred_queue[self.process_id]:
            self.send_reply(i[1])
        self.deferred_queue[self.process_id] = []
        self.request_queue = []
    
    def receive_request(self, request, sender):
        self.clock = max(self.clock, request[0]) + 1
        if self.accessing:
            self.deferred_queue[sender].append(request)
        else:
            self.send_reply(sender)
            
    def receive_reply(self, sender):
        self.clock = max(self.clock, self.request_queue[0][0]) + 1
        self.request_queue.pop(0)
            
    def send_request(self, request, receiver):
        pass  # 实现发送消息的代码
    
    def send_reply(self, receiver):
        pass  # 实现发送消息的代码

代码中 process_id 表示进程的编号，n 表示进程的数量。clock 表示进程的逻辑时钟。

accessing 为 True 表示进程正在访问共享资源，为 False 则表示进程不在访问共享资源。

request_queue 表示还未收到响应的请求消息队列，它的长度为 n-1 时，表示收到了所有其它进程的消息。

deferred_queue 为延迟消息队列，deferred_queue[i] 表示被进程 i 延迟的消息队列。

request_cs 方法为请求访问共享资源的操作。它先将进程的逻辑时钟加1，并将自己的请求消息加入请求队列中。然后向所有其它进程发送请求消息，并将自己的消息加入到各个进程的延迟队列中。最后等待所有其它进程的响应。

send_request 方法为消息发送操作，由于实现方案不同，需要使用者自己实现。

receive_request 方法为收到请求消息的操作。它将收到的消息加入到延迟队列中，或者发送同意消息。

receive_reply 方法为收到同意消息的操作。它将请求队列中的第一个消息移除。

send_reply 方法为发送同意消息的操作，由于实现方案不同，需要使用者自己实现。

release_cs 方法为释放共享资源的操作。它将延迟队列中的消息全部发送同意消息，然后清空请求队列和延迟队列。

总结

Ricart-Agrawala 算法是一种解决分布式系统中互斥问题的算法。它通过进程间的消息交流来解决互斥问题。算法的实现需要考虑消息的发送和接收，以及进程的逻辑时钟和队列的维护。