Nếu tôi sử dụng khóa, thuật toán của tôi vẫn có thể bị khóa?

Một định nghĩa phổ biến về khóa miễn phí là ít nhất một quá trình tạo ra tiến bộ. ¹

Nếu tôi có cấu trúc dữ liệu đơn giản như hàng đợi, được bảo vệ bởi khóa, thì một quy trình luôn có thể đạt được tiến bộ, vì một quy trình có thể có được khóa, thực hiện những gì nó muốn và giải phóng nó.

Vì vậy, nó đáp ứng định nghĩa của khóa miễn phí?

¹ Xem ví dụ: M. Herlihy, V. Luchangco và M. Moir. Đồng bộ hóa không có vật cản: Hàng đợi hai đầu làm ví dụ. Trong Máy tính phân tán, 2003. "Không khóa nếu chỉ đảm bảo rằng một số luồng luôn đạt được tiến bộ".

Đó không phải là định nghĩa cho khóa miễn phí.

Nếu bạn có thể đảm bảo tiến độ thì bạn không có bế tắc và nếu bạn hoàn thành tất cả các yêu cầu, thì bạn sẽ không bị đói , nhưng không bị khóa.

Tôi đặt câu hỏi liệu ví dụ đơn giản của bạn có thực sự cung cấp điều này không. Bạn cần phân cấp khóa và cứ thế để thực sự đảm bảo tiến độ khi có nhiều khóa.

Tôi đã nghiên cứu Nghệ thuật lập trình đa bộ xử lý ¹ và văn bản của họ thiếu rõ ràng, giống như cuốn sách bạn đề cập đến. Dưới đây là một số trích dẫn từ TAMPP:

Trích dẫn 1 (Định nghĩa về khóa miễn phí)

Một phương thức không khóa nếu nó đảm bảo rằng vô cùng thường xuyên một số cuộc gọi phương thức kết thúc trong một số bước hữu hạn.

Trích dẫn 2 (Định nghĩa về không chặn)

một yêu cầu đang chờ xử lý của một phương thức tổng thể không bao giờ được yêu cầu để chờ một lệnh gọi đang chờ xử lý khác hoàn thành.

Trích dẫn 3 (tuyên bố rằng khóa miễn phí là không chặn)

Các điều kiện tiến trình không chặn không phải chờ và không khóa đảm bảo rằng toàn bộ tính toán tạo ra tiến trình, độc lập với cách hệ thống lên lịch các luồng.

Vấn đề là yêu cầu trong Trích dẫn 3 rõ ràng không tuân theo định nghĩa trong Trích dẫn 1. Như đã đề cập, một hàng đợi được đồng bộ hóa dường như thỏa mãn Trích dẫn 1: thường thì một số phương pháp sẽ có được thành công khóa và hoàn tất.

Đặc biệt lưu ý cụm từ khá mơ hồ trong Trích dẫn 3: "độc lập với cách hệ thống lên lịch các luồng". Đây không phải là trước bởi bất kỳ loại mô tả chính thức của "hệ thống thread-lịch", vì vậy chúng tôi còn lại để tái tạo thuộc tính của nó dựa trên những định kiến của chúng tôi về những gì các định nghĩa nên có ý nghĩa:

1. hệ thống luôn thực hiện các hướng dẫn của một số luồng;
2. nó có thể không bao giờ thực hiện hướng dẫn của bất kỳ cho chủ đề;
3. tất cả các chủ đề đang gọi phương thức đang xem xét.

Trên một hệ thống như vậy, một phương thức chặn không thể bị khóa: nếu luồng giữ khóa không bao giờ được lên lịch thực hiện lại, sẽ không có luồng nào khác có thể hoàn thành việc gọi phương thức của nó trong một số bước hữu hạn, nhưng sẽ có một số chủ đề đang thực hiện các bước của phương thức. Đối với một hệ thống thực tế hơn, một hệ thống đảm bảo cung cấp thời gian CPU cho từng luồng cuối cùng, định nghĩa phải bao gồm rõ ràng thuộc tính không chặn:

Định nghĩa chính xác của khóa miễn phí

Một phương thức không khóa nếu nó không chặn và, ngoài ra, đảm bảo rằng vô cùng thường xuyên một số cuộc gọi phương thức kết thúc trong một số bước hữu hạn.

¹ Maurice Herlihy, Nir Shavit, Nghệ thuật lập trình đa xử lý, Elsevier 2008, trang 58-60

Thuật ngữ không phải lúc nào cũng nhất quán, nhưng tôi nghĩ điều quan trọng là hỏi những câu hỏi sau về một thuật toán hoặc hệ thống được đề xuất:

1. Có bất kỳ chuỗi sự kiện nào mà các luồng có thể bị kẹt chờ đợi nhau ngay cả khi tất cả các luồng được cho phép tất cả thời gian CPU mà chúng có thể sử dụng [nếu vậy, nó không bị bế tắc]
2. Nếu một luồng bị chặn trong một thời gian dài tùy ý, điều đó có thể cản trở các luồng khác hoặc làm suy yếu hoạt động của hệ thống trong một thời gian dài tùy ý [nếu vậy, đó không phải là không chặn].
3. Có một số sự kết hợp ít nhất có thể về mặt lý thuyết của lập lịch xử lý luồng có thể khiến tất cả các luồng liên tục thử lại các hoạt động tương tự trong khi vô hiệu hóa công việc của nhau, mà không có ai tiến triển [nếu vậy, nó không bị khóa]
4. Nếu một số luồng được cung cấp đủ thời gian CPU so với thời gian khác, thì chúng có thể buộc luồng sau tiếp tục thử lại hoạt động của nó vô thời hạn [nếu vậy, nó không phải chờ đợi].

Phần lớn tầm quan trọng của thuật toán không khóa không phải là chúng nhanh hơn thuật toán không khóa, mà thực tế là chúng không dễ bị chết nếu một luồng được xử lý [lưu ý rằng bảo đảm như vậy chỉ yêu cầu các thuật toán đó không chặn, nhưng tất cả các thuật toán không khóa là]. Thuật toán không khóa có thể sử dụng khóa, nhưng chỉ khi các nỗ lực mua khóa bao gồm hết thời gian chờ cùng với thuật toán để đảm bảo rằng ai đó sẽ luôn có thể tiến bộ (ví dụ: thuật toán có thể sử dụng CompareExchangevòng lặp làm chính phương pháp trọng tài, nhưng sử dụng khóa để phân xử quyền truy cập khi sự tranh chấp có vẻ cao, nếu khóa dường như bị giữ quá lâu, các luồng khác có thể quyết định từ bỏ nỗ lực sử dụng khóa đó và thay vào đó tạo khóa mới.CompareExchange, việc khách hàng từ bỏ khóa sẽ không gây nguy hiểm cho tính nhất quán của hệ thống, mặc dù điều đó có thể có nghĩa là mã đã giữ khóa cũ sẽ không thực hiện được bất kỳ công việc nào cho đến khi nó từ bỏ khóa cũ và phù hợp với khóa mới.

Bạn phải xem "định nghĩa" bạn trích dẫn trong ngữ cảnh :

Cách truyền thống để thực hiện các cấu trúc dữ liệu được chia sẻ là sử dụng loại trừ lẫn nhau (khóa) để đảm bảo rằng các hoạt động đồng thời không can thiệp lẫn nhau. Khóa có một số nhược điểm liên quan đến kỹ thuật phần mềm, khả năng chịu lỗi và khả năng mở rộng (xem [8]). Đáp lại, các nhà nghiên cứu đã điều tra một loạt các kỹ thuật đồng bộ hóa thay thế không sử dụng loại trừ lẫn nhau . Một kỹ thuật đồng bộ hóa là chờ đợi nếu nó đảm bảo rằng mọi luồng sẽ tiếp tục đạt được tiến bộ khi đối mặt với độ trễ tùy ý (hoặc thậm chí là thất bại) của các luồng khác. Nó là khóa nếu nó chỉ đảm bảo rằng một số luồng luôn luôn tiến bộ.

Bạn đang sử dụng khóa để loại trừ lẫn nhau, do đó đây không phải là kỹ thuật không khóa mà họ đang nói đến.

Nếu tôi sử dụng khóa, thuật toán của tôi vẫn có thể bị khóa?

Nó có thể, nhưng nó phụ thuộc vào thuật toán.

Nếu tôi có cấu trúc dữ liệu đơn giản như hàng đợi, được bảo vệ bởi khóa, thì một quy trình luôn có thể đạt được tiến bộ, vì một quy trình có thể có được khóa, thực hiện những gì nó muốn và giải phóng nó.

Vì vậy, nó đáp ứng định nghĩa của khóa miễn phí?

Lưu ý mỗi se .

Nếu bước "làm những gì nó muốn" không liên quan đến việc có được bất kỳ khóa nào khác và nó được đảm bảo hoàn thành trong một thời gian hữu hạn, thì phần đặc biệt này trong thuật toán của bạn sẽ không bị bế tắc.

Tuy nhiên, nếu những điều kiện tiên quyết đó không được thỏa mãn, ít nhất có khả năng xảy ra bế tắc ...

Ví dụ bạn đưa ra không khóa vì lý do sau.

Hỗ trợ một luồng thu được khóa và bộ lập lịch hệ điều hành đã treo luồng trong một khoảng thời gian đơn lẻ vô hạn, sau đó tất cả các luồng không thể thực hiện tiến trình vì không thể có được khóa được lấy bởi luồng bị treo.

Nói chung, các thuật toán sử dụng khóa không phải là khóa.

Lưu ý rằng deadlock-free và lock-free là hai khái niệm khác nhau. không có bế tắc có nghĩa là không có khả năng cho sự bế tắc, nhưng có thể có sự thay đổi có thể ngăn chặn toàn bộ hệ thống đạt được tiến bộ. Khóa tự do mạnh hơn thế bởi vì điều đó có nghĩa là một số luồng trong hệ thống luôn đạt được tiến bộ với số bước hữu hạn.