互斥问题

并发编程：从入门到放弃

人类是 sequential creature

• 编译优化 + weak memory model 导致难以理解的并发执行
• 有多难理解呢？
  • Verifying sequential consistency 是 NP-完全问题

人类是 (不轻言放弃的) sequential creature

• 有问题，就会试着去解决
• 手段：“回退到” 顺序执行
  • 标记若干块代码，使得这些代码一定能按某个顺序执行
  • 例如，我们可以安全地在块里记录执行的顺序

回退到顺序执行：互斥

插入 “神秘代码”，使得所有其他 “神秘代码” 都不能并发

• 由 “神秘代码” 领导不会并发的代码 (例如 pure functions) 执行

void Tsum() {
  stop_the_world();
  // 临界区 critical section
  sum++;
  resume_the_world();
}

Stop the world 真的是可能的

• Java 有 “stop the world GC”
• 单个处理器可以关闭中断
• 多个处理器也可以发送核间中断

失败的尝试

int locked = UNLOCK;

void critical_section() {
retry:
  if (locked != UNLOCK) {
    goto retry;
  }
  locked = LOCK;

  // critical section

  locked = UNLOCK;
}

和 “山寨支付宝” 完全一样的错误

• 并发程序不能保证 load + store 的原子性

更严肃地尝试：确定假设、设计算法

假设：内存的读/写可以保证顺序、原子完成

• val = atomic_load(ptr)
  • 看一眼某个地方的字条 (只能看到瞬间的字)
  • 刚看完就可能被改掉
• atomic_store(ptr, val)
  • 对应往某个地方 “贴一张纸条” (必须闭眼盲贴)
  • 贴完一瞬间就可能被别人覆盖

对应于 model checker

• 每一行可以执行一次全局变量读或写
• 每个操作执行之后都发生 sys_sched()

正确性不明的奇怪尝试 (Peterson 算法)

A 和 B 争用厕所的包厢

• 想进入包厢之前，A/B 都首先举起自己的旗子
  • A 往厕所门上贴上 “B 正在使用” 的标签
  • B 往厕所门上贴上 “A 正在使用” 的标签
• 然后，如果对方举着旗，且门上的名字是对方，等待
  • 否则可以进入包厢
• 出包厢后，放下自己的旗子 (完全不管门上的标签)

习题：证明 Peterson 算法正确，或给出反例

进入临界区的情况

• 如果只有一个人举旗，他就可以直接进入
• 如果两个人同时举旗，由厕所门上的标签决定谁进
  • 手快 🈶️ (被另一个人的标签覆盖)、手慢 🈚

一些具体的细节情况

• A 看到 B 没有举旗
  • B 一定不在临界区
  • 或者 B 想进但还没来得及把 “A 正在使用” 贴在门上
• A 看到 B 举旗子
  • A 一定已经把旗子举起来了
  • (!@^#&!%^(&^!@%#

绕来绕去很容易有错漏的情况

Prove by brute-force

• 枚举状态机的全部状态 $(PC_1, PC_2, x, y, turn)$
• 但手写还是很容易错啊——可执行的状态机模型有用了！

void TA() { while (1) {
/* ❶ */  x = 1;
/* ❷ */  turn = B;
/* ❸ */  while (y && turn == B) ;
/* ❹ */  x = 0; } }

void TB() { while (1) {
/* ① */  y = 1;
/* ② */  turn = A;
/* ③ */  while (x && turn == A) ;
/* ④ */  y = 0; } }