Lamport面包店算法

类比

Lamport把这个并发控制算法非常直观地类比为顾客去面包店采购。面包店一次只能接待一位顾客的采购。已知有n位顾客要进入面包店采购，按照次序安排他们在前台登记一个签到号码。该签到号码逐次增加1。顾客根据签到号码的由小到大的顺序依次入店购货。完成购买的顾客在前台把其签到号码归0。 如果完成购买的顾客要再次进店购买，就必须重新排队。

这个类比中的顾客就相当于线程，而入店购货就是进入临界区独占访问该共享资源。由于计算机实现的特点，存在两个线程获得相同的签到号码的情况，这是因为两个线程几乎同时申请排队的签到号码，读取已经发出去的签到号码情况，这两个线程读到的数据是完全一样的，然后各自在读到的数据上找到最大值，再加1作为自己的排队签到号码。为此，该算法规定如果两个线程的排队签到号码相等，则线程id号较小的具有优先权。

进入临界区

已经拿到排队签到号码的线程，要轮询检查自己是否可以进入临界区。即检查n个线程中，自己是否具有最小的非0排队签到号码；或者自己是具有最小的非0排队签到号码的线程中，id号最小的。

可以用伪代码表示上述检查:

(a, b) < (c, d)

等价于:

(a < c) or ((a == c) and (b < d))

非临界区

一旦线程在临界区执行完毕，需要把自己的排队签到号码置为0，表示处于非临界区.

定义

• 数组Entering[i]为真，表示进程i正在获取它的排队登记号；
• 数组Number[i]的值，是进程i的当前排队登记号。如果值为0，表示进程i未参加排队，不想获得该资源。规定这个数组元素的取值没有上界。
• 正在访问临界区的进程如果失败，规定它进入非临界区，Number[i]的值置0，即不影响其它进程访问这个互斥资源。

伪代码

     // declaration and initial values of global variables
     Entering: array [1..NUM_THREADS] of bool = {};
     Number: array [1..NUM_THREADS] of integer = {};

  1  lock(integer i) {
  2      Entering[i] = true;
  3      Number[i] = 1 + max(Number[1], ..., Number[NUM_THREADS]);
  4      Entering[i] = false;
  5      for (j = 1; j <= NUM_THREADS; j++) {
  6          // Wait until thread j receives its number:
  7          while (Entering[j]) { /* nothing */ }
  8          // Wait until all threads with smaller numbers or with the same
  9          // number, but with higher priority, finish their work:
 10          while ((Number[j] != 0) && ((Number[j], j) < (Number[i], i))) { /* nothing */ }
 11      }
 12  }
 13  
 14  unlock(integer i) {
 15      Number[i] = 0;
 16  }
 17
 18  Thread(integer i) {
 19      while (true) {
 20          lock(i);
 21          // The critical section goes here...
 22          unlock(i);
 23          // non-critical section...
 24      }
 25  }

讨论

每个线程只写它自己的Entering[i]、Number[i]，只读取其它线程的这两个数据项。

这个算法不需要基于硬件的原子(atomic)操作实现，即它可以纯软件实现。

使用Entering数组是必须的。假设不使用Entering数组，那么就可能会出现这种情况：设进程i的优先级高于进程j(即i<j)，两个进程获得了相同的排队登记号(Number数组的元素值相等)。进程i在写Number[i]之前，被优先级低的进程j抢先获得了CPU时间片，这时进程j读取到的Number[i]为0，因此进程j进入了临界区. 随后进程i又获得CPU时间片，它读取到的Number[i]与Number[j]相等，且i<j，因此进程i也进入了临界区。这样，两个进程同时在临界区内访问，可能会导致数据腐烂(data corruption)。算法使用了Entering数组变量，使得修改Number数组的元素值变得“原子化”，解决了上述问题。

具体实现时，可以把上述伪代码中的忙等待(busy wait)，换成交出线程的执行权，例如yield操作.

• Peterson算法
• Szymanski算法
• 信号量

• Wallace Variation of Bakery Algorithm （页面存档备份，存于互联网档案馆） which overcomes limitations of Javascript language
• Lamport's Bakery Algorithm （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Another JavaScript implementation by a.in.the.k

1. ^ Original Paper (PDF). [2012-09-02]. （原始内容存档 (PDF)于2007-04-18）. 

• On his publications page （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Lamport has added some remarks regarding the algorithm.