实现临界区互斥的基本方法
一、软件实现方法
通过设置标志变量（如turn、flag）协调进程进入临界区，核心是在进入区检查/设置标志，在退出区重置标志。
算法 | 核心思想 | 优点 | 缺点 | 违背准则 |
1. 单标志法 | 设置 | 实现简单，严格互斥。 | 需交替进入，若 | 空闲让进（临界区空闲时不允许合法进程进入）。 |
2. 双标志先检查法 | 设置 | 可连续进入，无需交替。 | 检查和设置非原子操作：两进程可能同时通过检查，进入临界区。 | 忙则等待（多个进程同时进入临界区）。 |
3. 双标志后检查法 | 先置自己 | 避免同时进入（先占坑再检查）。 | 可能双方都置 | 空闲让进+有限等待（临界区空闲但进程无法进入）。 |
4. Peterson算法 | 结合 | 严格互斥，无饥饿，支持连续进入。 | 未实现“让权等待”（等待时CPU忙等）。 | 让权等待（可选准则，非必须）。 |
二、硬件实现方法
利用原子指令（不可中断的硬件操作）实现“检查+设置”的原子性，避免软件方法的逻辑漏洞。
1. 关中断
- 机制：进程进入临界区前关中断（禁止CPU响应中断，避免进程切换），退出时开中断。
- 优点：简单，绝对互斥。
- 缺点：
- 关中断期间CPU无法切换，系统吞吐量下降（效率低）。
- 仅适用于单CPU系统（多CPU无法通过关中断实现互斥）。
2. TestAndSet指令（TS指令）
- 原子操作：读取
lock值并置为true（一步完成，不可中断）。
bool TestAndSet(bool *lock) {
bool old = *lock;// 读取原值
*lock = true;// 设置为占用
return old;// 返回原值
}互斥逻辑：
lock初值false（空闲）。进程进入前调用TS(&lock)：- 若返回
false（之前空闲），则进入临界区； - 若返回
true（已占用），则循环等待（忙等）。 - 优点：适用于多CPU系统，实现简单。
- 缺点：忙等（未实现“让权等待”），可能饥饿。
3. Swap指令
- 原子操作：交换两个变量的值（如共享
lock和局部key）。
void Swap(bool *a, bool *b) {
bool temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}- 互斥逻辑：
lock初值false，进程P_i设局部key=true，循环执行Swap(&lock, &key)：- 若
key变为false（交换前lock为false），则进入临界区； - 若
key仍为true（交换前lock为true），则继续循环。 - 特点：与TS指令逻辑等价，优缺点相同（忙等，无让权等待）。
三、软件/硬件方法的共同缺陷
- 未实现“让权等待”：等待进程循环检查标志（忙等），浪费CPU资源。
- 可能饥饿：硬件方法中等待进程随机竞争，低优先级进程可能长期等待。
核心考点 📌
- Peterson算法的优势：唯一遵循“空闲让进、忙则等待、有限等待”三大准则的软件方法，是软件互斥的最优解（但仍忙等）。
- 原子操作的重要性：硬件方法通过原子指令（TS/Swap）将“检查+设置”合并为不可中断的操作，解决软件方法的逻辑漏洞。
- 让权等待的实现：软件/硬件方法均未实现（需后续信号量机制通过阻塞/唤醒实现）。
总结：✨
软件方法通过标志变量（单/双标志法、Peterson算法）协调进程进入临界区，其中Peterson算法满足互斥、空闲让进和有限等待三大准则，但仍存在忙等问题。硬件方法（关中断、TS/Swap指令）利用原子操作确保互斥，适用于多CPU系统，但同样无法避免忙等和潜在饥饿。两类方法均未实现"让权等待"，为后续信号量机制奠定基础。关键区别在于硬件方法通过原子指令解决了软件方案的逻辑漏洞，但都需结合更高级同步机制来优化资源利用率。
一句话总结：软件方法（如Peterson）通过标志协调互斥但存在忙等，硬件方法（TS/Swap）利用原子指令保证互斥但仍忙等，二者为信号量等高级同步机制奠定基础！ ✨