【用软件方法实现临界区互斥】

用软件方法实现临界区互斥 —— 从基本概念到 Peterson 算法

在多进程（或多线程）环境中，多个进程可能需要访问同一资源。如果处理不当，资源会被“同时使用”，导致数据出错或系统行为异常。为了避免这种问题，我们需要互斥机制。本文将系统介绍相关概念、经典的软件互斥算法，并结合 Peterson 算法的执行顺序分析，帮助你建立完整的理解。

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一、基本概念

1. 同步（Synchronization）

同步指的是多个进程在执行过程中需要协调先后顺序。

• 例子：生产者必须先放数据到缓冲区，消费者才能取数据；否则会“取空”。
• 解决目标：正确的执行顺序。

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2. 互斥（Mutual Exclusion）

互斥是同步的一种特殊情况：同一时间只允许一个进程使用共享资源。

• 例子：两个人不能同时打印同一张文件，否则内容会乱。
• 解决目标：同一时刻只有一个进程进入关键区域（临界区）。

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3. 临界资源（Critical Resource）

只能被一个进程独占访问的资源，称为临界资源。

• 例子：打印机、共享变量、文件写操作。

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4. 临界区（Critical Section）

进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

• 目标：保证同一时刻最多只有一个进程在临界区内运行。

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二、使用软件实现互斥的思路

不依赖硬件指令，仅用普通变量和循环语句，也可以实现临界区互斥。经典方法主要有：

1. 单标志法
2. 双标志法（先检查、后检查）
3. Peterson 算法

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三、经典软件互斥算法

1. 单标志法（Single Flag）

• 方法：用一个变量 turn 表示当前允许哪个进程进入临界区。
• 问题：进程只能“轮流”进入临界区，即使一个进程不想进，也必须“交班”，降低效率。
  

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2. 双标志法（Two Flags）

使用数组 flag[2] 表示两个进程是否想进入临界区。

先检查法（Check First）

while(flag[j]);  // 等对方退出
flag[i] = true;  // 再宣布自己要进

问题：可能两个人同时检查到对方没进临界区，然后同时设置 flag → 互斥失效。

后检查法（Set First）

flag[i] = true;  // 宣布自己要进
while(flag[j]);  // 如果对方也想进 → 忙等

问题：可以保证互斥，但可能出现死锁：双方都设置 flag=true 后都在忙等，谁也进不去。

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3. Peterson 算法（改进的双标志法）

在双标志基础上加了一个 turn 变量，表示“最后一次让对方优先”。

flag[i] = true;
turn = j;           // 礼貌让对方
while(flag[j] && turn==j);  // 忙等
/* critical section */
flag[i] = false;

• 优势：能保证互斥且避免死锁。
• 缺点：依旧是忙等（没有“让权等待”）。

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四、Peterson 算法执行顺序分析

为了直观理解 Peterson 算法，我们考虑两个进程 P0 和 P1，分析几种交错执行顺序：

• flag[i]=true → 进程 i 想进临界区（“举手”）
• turn=j → 如果双方同时举手，最后一次改 turn 的进程必须“等一下”
• while(flag[j] && turn==j) → 等对方用完

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情况 1：1 → 2 → 3 → 6 → 7 → 8

• P0 先举手并让路 → 检查到对方还没举手 → 直接进入临界区
• P1 后举手并等待
  结果：P0先进入，P1等待

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情况 2：1 → 6 → 2 → 3 ...

• P0、P1先后举手
• P0最后说“让P1先”（turn=1） → P0等待
• P1再改“让P0先”（turn=0） → P1等待
• 最终 turn=0 → P0先进入
  结果：P0先进入，P1随后进入（可能短暂忙等）

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情况 3：1 → 3 → 6 → 7 → 8

• P0举手并检查 → 对方还没举手 → 直接进入临界区
• P1举手后等待
  结果：P0先进入，P1等待

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情况 4：1 → 6 → 2 → 7 → 8

• P0举手 → P1举手 → P0说 “让P1先” → P1说“让P0先”
• 最终 turn=0 → P1等待，P0进入
  结果：P0先进入，P1等待

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五、总结

1. 同步：协调先后顺序

2. 互斥：同一时间只允许一个进程访问临界资源

3. 临界资源：只能被独占使用的资源

4. 临界区：访问临界资源的那段代码

5. 软件互斥方法：

   • 单标志法（效率低）
   • 双标志先/后检查法（先检查失效，后检查死锁）
   • Peterson 算法（互斥+无死锁，但忙等）

Peterson 算法通过 双标志 + turn 变量 实现互斥控制，不论执行顺序如何交错，都能保证：

• 同一时刻只有一个进程进入临界区（互斥性）
• 不会出现死锁（可达性）
• 仍存在忙等问题（不满足让权等待）

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