临界区问题:一种新的视角

首先阐明两个概念：

临界资源：必须互斥访问的资源（如公共变量，打印机等）。

临界区：访问临界资源的一段代码。

 

对于一个进程Pi，其典型结构如下：

do

{

    进入临界区

临界区               ; 访问临界资源的代码

退出临界区

剩余区               ; 其余的代码

}while(1);

 

考虑两个进程P0, P1并发执行。如何保证它们互斥访问临界资源呢？

 

前人提出了3种算法。

 

算法1：

让P0,P1共享一个bool变量turn。turn取值为0或1。

若turn == i, 则允许Pi在临界区内执行。

 

Pi的结构如下：

do

{

    While (turn != i) ;     // 若turn != i，循环等待

临界区

turn = j;

剩余区

}while(1);

 

这种算法能够保证互斥性，但它要求P0,P1在临界区中的执行是严格交替的。如果turn=0，且P1要进入临界区，那么尽管P0可能在其剩余区内，P1并不能进入。

 

算法2

引入一个bool数组flag[2]；数组元素初始化为false。如果flag[i]=true，表明Pi准备进入临界区。

 

Pi结构如下：

do

{

    flag[i] = true;

    while (flag[j]) ;   // 若flag[j] == true，则循环等待

临界区

flag[i] = false;

剩余区

}while(1);

 

该算法中，Pi首先置flag[i]为真，表明它准备进入临界区，接着，它检查并验证Pj没有准备进入临界区。但这个算法仍然不行，如果flag[0] = flag[1] = true，则两个进程会无限等待下去（具体分析省略）。

 

算法3

将算法1和算法3结合起来：

bool flag[2];

int turn;

初始时，flag[0] = flag[1] = false;

 

Pi结构如下：

do

{

    flag[i] = true;

    turn = j;

    while(flag[j] && turn == j) ;

临界区

flag[i] = false;

剩余区

}while(1);

 

可以证明这个解答是正确的。

 

下面，我从“礼”的角度来分析这3个算法。

临界区问题即要求进程能够互斥访问临界资源。系统的实现决定了要实现这个目标，必须进程“自觉”遵守相关规定（当然，可以依靠操作系统的某些机制）。

“自觉”就要讲“礼”。

算法1只是使用一个turn变量，而算法2使用了一个数组。这个数组分别记录了两个进程各自的“意愿”。每个进程在试图进入临界区的时候，都先“体察”一下对方的“意愿”，这就懂得了“礼让”。

但算法2仍然不能解决问题。为什么呢？从中国传统的“礼”来说，中国人喜欢“假客气”。例如别人对你说：“吃个苹果吧。”你虽然想吃，但你通常会说：“不用了。”只有别人把苹果“硬塞”给你，你就手下了（因为你确实想吃）。除非你真的是讨厌苹果，否则你不会拒绝。

所以，在“体察”对方“意愿”的时候，可能会获得不正确的结果。

算法3的高明之处在于，先将turn设置成对方。然后在看对方的“意愿”。这就像：我先把苹果“硬塞”给对方，然后看他是否接受。如果他心里想要，就会接受。这时候你就知道了他真实的意愿。如果他确实不想吃，那么他就会推脱。

在这种方式下，你“体察”到的“意愿”是真实的，而不是经过掩饰的虚假。

 

从“礼”的角度来分析，至少有3点好处：

1.    理清算法的流程。

2.    延伸算法的思想内涵。

3.    对设计新的算法提供了思路（例如，经过研究现实生活中“礼”的形式，提出更优化的算法）

 

 

By 夏至逃亡 @TITAN Studio