一、临界区
1.定义：临界区指的是一个访问共用资源（例如：共用设备或是共用存储器）的程序片段，而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时，其他线程或是进程必须等待，有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现，以确保这些共用资源是被互斥获得使用。
2.临界区中存在的属性：
- 互斥：同一时间临界区中最多存在一个线程；
- Progress：如果一个线程想要进入临界区，那么它最终会成功（如果无限等待，处于饥饿状态，不妥）；
- 有限等待：如果一个线程i处于入口区，那么在i的请求被接受之前，其他线程进入临界区的时间是有限制的；
- 无忙等待（可选）：如果一个进程在等待进入临界区，那么它可以进入之前会被挂起。
二、管理临界区的方法
1. 禁用硬件中断
采用引荐中断需要考虑时钟中断：时钟中断是控制进程调度的手段之一
- 没有中断，没有上下文切换，因此没有并发。硬件将中断处理延迟到中断被启用之后；大多数现代计算机体系结构都提供指令来完成。
- 进入临界区，则禁用中断。
- 离开临界区，则开启中断。
但是，存在如下问题：
- 一旦中断被禁用，线程就无法被停止；整个系统都会为你停下；可能导致其他线程处于饥饿状态。
- 如临界区可以任意长，则无法限制响应中断所需的时间
2. 基于软件的解决方法
例子：假设有两个线程，T0和T1。Ti的通常结构为：
1 do{
2 enter section //进入区域
3 critical section //临界区
4 exit section //离开区域
5 reminder section //提醒区域
6 }while(1);
线程可能共享一些共有的变量来同步他们的行为。下面设计一种方法，能在有限时间内实现退出/进入页区。
算法前置知识与考虑
- 共享变量，先初始化
- int turn = 0 ;
- turn == i //表示Ti进入临界区
- 对于Thread Ti ，代码表示如下：
do{
while(turn != i ); //如果turn不是i，死循环；直到turn是i，跳出循环
critical section //执行临界区代码
turn = j； //turn赋为j，退出循环
reminder section
}while(1);
上述代码满足互斥，即不可能两个线程同时进入临界区。但不满足process，比如T1执行完进入临界区代码后，不再进入临界区程序，转去执行其他任务。而T2执行完临界区代码后，想再次进入临界区，而发现自己在退出临界区时，把turn赋值为了1，因此再执行进入临界区代码时，由于turn=1而不是2，会执行死循环而不能进入临界区。此方法的特点就是必须T1和T2交替执行来改变turn值，才能满足process。
因此再考虑其他方法：
对于有线程0、线程1的情况：
- int flag[2]; flag[0] = flag[1] = 0
- flag[i] = 1 //如果等于1，则线程Ti进入临界区
- 对于Thread Ti，代码如下：
1 do{
2 while (flag[j] == 1); //如果另一个进程想进来，此进程先谦让一下，自己先循环着
3 flag[i] = 1; //如果别的进程未准备，则自己赋成1，表示自己要进入临界区
4 critical section
5 flag[i] = 0;
6 reminder section
7 }while(1);
该方法没有实现互斥，如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==0 ，所以两个线程都能进入临界区，不满足互斥。
考虑将flag[i] = 1前置，代码如下
1 do{
2 flag[i] = 1;
3 while (flag[j] == 1);
4 critical section
5 flag[i] = 0;
6 reminder section
7 }while(1);
此方法满足互斥，但可能出现死锁，
如T1执行完前两条代码后，上下文切换到T2,T2执行完前两条代码后 flag[1] == flag[2] ==1，两个进程都会进入死循环，所以两个线程都不能进入临界区。
正确的解决办法（Peterson算法）
满足进程Pi和Pj之间互斥的经典的基于软件的解决方法（1981年），Use two shared data items（用上了turn和flag）。
int turn; // 指示该谁进入临界区
boolean flag[]; // 指示进程是否准备好进入临界区
Code for ENTER_CRITICAL_SECTION
1 flag[i] = TRUE; 2 turn = j; 3 while(flag[j] && turn == j);
Code for EXIT_CRITICAL_SECTION
flag[i] = FALSE;
对于进程Pi的算法：
1 do {
2 flag[i] = TRUE;
3 turn = j;
4 while (flag[j] && turn == j);
5 CRITICAL SECTION
6 flag[i] = FALSE;
7 REMAINDER SECTION
8 } while (TRUE);
上述算法能够满足互斥、前进、有限等待三种特性。可以用反证法来证明。
更为复杂的dekker算法
dekker算法的实现如下。
flag[0] := false flag[1] := false := 0 // or 1
do {
flag[i] = TRUE;
while flag[j] == true {
if turn != i {
flag[i] := false
while turn != i {}
flag[i] := TRUE
}
}
CRITICAL SECTION
turn := j
flag[i] = FALSE;
REMAINDER SECTION
} while (TRUE);
针对多进程的Eisenberg and McGuire’s Algorithm
基本思路：对于i进程，如果前面有进程，那么i进程就等待；对于i后面的进程，则等待i。这整体是一种循环。
针对多进程的Bakery算法
N个进程的临界区：
- 进入临界区之前，进程接受一个数字；
- 得到的数字最小的进入临界区；
- 如果进程Pi和Pj收到相同的数字，那么如果i小于j，Pi先进入临界区，否则Pj先进入临界区；
- 编号方案总是按照枚举的增加顺序生成数字。
总结
- Dekker算法（1965）：第一个针对双线程例子的正确解决方案；
- Bakery算法（Lamport 1979）：针对n线程的临界区问题解决方案。
- 算法是复杂的：需要两个进程间的共享数据项；
- 需要忙等待（死循环）：浪费CPU时间；
- 没有硬件保证的情况下无真正的软件解决方案：Peterson算法需要原子的LOAD和STORE指令。
方法3：更高级的抽象
原文地址：https://www.cnblogs.com/cjsword/p/12194448.html