피터슨의 알고리즘

피터슨의 알고리즘(Peterson's algorithm)은 상호 배제를 위한 병렬 프로그래밍 알고리즘으로서, 공유 메모리를 활용하여 여러 개의 프로세스가 하나의 자원을 함께 사용할 때 문제가 발생하지 않도록 해준다. 수학자 개리 피터슨(Gary Peterson)은 이 알고리즘을 1981년에 로체스터 대학에서 발표하였다. 발표 당시의 알고리즘은 프로세스가 2개인 경우만 적용 가능하고, 이후 3개 이상의 경우에도 적용할 수 있는 방법이 논의되고 있다.

 의사 코드 

 bool flag[2] // 불린 배열(Boolean array)
 int turn // 정수형 변수

 flag[0] = false // false은 임계 구역 사용을 원하지 않음을 뜻함.
 flag[1] = true
 turn = 0 // 0 은 0번 프로세스를 가리킴, 1은 1번 프로세스를 가리킴

 P0: flag[0] = true // 임계 구역 사용을 원함
 turn = 1 // 1번 프로세스에게 차례가 감
 while( flag[1] && turn == 1 )
 {
 // flag[1] 이 turn[1] 을 가지고 있으므로
 //현재 사용중임
 // 임계 구역이 사용 가능한지 계속 확인
 }// 임계 구역
 ...
 // 임계 구역의 끝
 flag[0] = false

 P1: flag[1] = true
 turn = 0
 while( flag[0] && turn == 0 )
 {
 // 임계 구역이 사용 가능한지 계속 확인
 }// 임계 구역
 ...
 // 임계 구역의 끝

 flag[1] = false

이 알고리즘은 flag와 turn 변수를 사용한다. flag 값이 true이면 프로세스가 임계 구역에 들어가려고 하는 것을 나타낸다.
이 알고리즘은 임계 구역의 3가지 필수 기준(상호 배제, 진행 조건, 한계 대기)을 충족한다.

 두 POSIX 스레드를 활용하여 C언어로 구현한 예 

/*
 * ANSI C89 source, KNF style implementation of Peterson's Algorithm.
 *
 * Copyright (c) 2005, Matthew Mondor
 * Released in the public domain (may be licensed under the GFDL).
 *
 * Please fix any bugs as needed, preserving the KNF style and this comment,
 * unless considered inconvenient in which case you can do whatever you want
 * with the code.
 */

#include 

#include 

#include 

#include 

struct pa_desc {
 volatile int *f0, *f1;
 int last;
};

void pa_init(void);
void pa_desc_init(struct pa_desc *, int);
void pa_desc_lock(struct pa_desc *);
void pa_desc_unlock(struct pa_desc *);

void *thread0_main(void *);
void *thread1_main(void *);
void threadx_critical(void);

int main(int, char **);

static volatile int pa_f0, pa_f1, pa_last;

/* 공유 */
#define BUCKETS 100
int gi, g[BUCKETS];

/*
 * pa 시스템을 초기화 한다.
 * pa 설명자를 초기화하기 전에, 프로세스에 의해 한번 호출된다.
 */
void
pa_init(void)
{

 pa_f0 = pa_f1 = pa_last = 0;
}

/*
 * 스레드가 사용할 pa 설명자를 초기화한다.
 * 한 스레드는 id 0, 다른 스레드는 id 1을 사용한다.
 */
void
pa_desc_init(struct pa_desc *d, int id)
{

 assert(id == 0 || id == 1);

 if (id == 0) {
 d->f0 = &pa_f0;
 d->f1 = &pa_f1;
 d->last = 1;
 } else if (id == 1) {
 d->f0 = &pa_f1;
 d->f1 = &pa_f0;
 d->last = 0;
 }
}

void
pa_desc_lock(struct pa_desc *d)
{

 for (*d->f0 = 1, pa_last = d->last;
 *d->f1 == 1 && pa_last == d->last; ) ;
}

void
pa_desc_unlock(struct pa_desc *d)
{

 *d->f0 = 0;
}

/*
 * 첫 번째 동시 스레드의 주요 반복구
 */
/* ARGSUSED */
void *
thread0_main(void *args)
{
 struct pa_desc d;

 pa_desc_init(&d, 0);

 for (;;) {
 pa_desc_lock(&d);
 threadx_critical();
 pa_desc_unlock(&d);
 }

 /* 도달하지 않음 */
 return NULL;
}

/*
 * 두 번째 동시 스레드의 주요 반복구
 */
/* ARGSUSED */
void *
thread1_main(void *args)
{
 struct pa_desc d;
 pa_desc_init(&d, 1);

 for (;;) {
 pa_desc_lock(&d);
 threadx_critical();
 pa_desc_unlock(&d);
 }

 /* 도달하지 않음 */
 return NULL;
}

/*
 * 두 스레드를 잠금(locking)없이 수행할 때
 * 병행성 처리를 정상적으로 하도록 하는 임계 함수
 */
void
threadx_critical(void)
{
 int i;

 /* 이중 병행성 처리를 하는 부분 */
 for (i = 0; i < BUCKETS; i++)
 g[i] = gi++;
 for (i = 0; i < BUCKETS; i++)
 (void) printf("g[%d] = %d\n", i, g[i]);
}

/*
 * 이 테스트 프로그램은 피터스 알고리즘을 사용하여, 잠금(locking) 기능 없이도
 * 이중 병행 작업을 수행할 수 있다. 즉, 별도의 안전장치없이 동시에 수행할 경우
 * 발생하는 공유 메모리 문제를 방지할 수 있다.
 */
/* ARGSUSED */
int
main(int argc, char **argv)
{
 pthread_t tid1, tid2;
 pthread_attr_t tattr;

 gi = 0;
 pa_init();

 pthread_attr_init(&tattr);
 pthread_attr_setdetachstate(&tattr, 0);

 /* 주: 실제 응용 프로그램은 오류 검사를 수행해야 함 */
 pthread_create(&tid1, &tattr, thread0_main, NULL);
 pthread_create(&tid2, &tattr, thread1_main, NULL);

 pthread_join(tid1, NULL);
 pthread_join(tid2, NULL);
 /* 도달하지 않음 */

 return EXIT_SUCCESS;
}

 같이 보기 
 데커의 알고리즘
 램포트의 빵집 알고리즘

 외부 링크 
 자바 환경에서 피터슨의 알고리즘 구현: 문서와 소스 코드를 담고 있다.

분류:동시성 제어 알고리즘