竞争条件与互斥

本文主要讲解多线程（进程）编程时出现竞争条件的解决方案及代码实现。

竞争条件

协同进程可能共享一些彼此都能够读写的公用存储区（例如打印机脱机系统），也可能是一些共享文件，当两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果却绝育进程运行的精确时序，就称为竞争条件（race condition）。

如果程序之间有竞争条件，也许大部分的运行结果都很好，但在极少数情况下会发生一些难以解释的事情。

互斥（mutual exclusion）

要避免这种错误，关键是要找出某种途径防止多个进程在使用一个共享变量或文件时，其他进程不能做同样的事。

互斥的实现有很多种，在UNIX编程中，总体来说有两种大的方案：

1. 忙等待形式的互斥
   
   • 优势在于被等待的进程（线程）不需要context switch（no extra overhead），提高了效率
   • 但若等待时间较长，会浪费CPU资源。
   • 会造成优先级反转问题（priority inversion problem）
2. 睡眠等待
   
   • CPU利用率较高，但会造成context switch的overhead。

临界区

把对共享内存进行访问的程序片段称为临界区或者临界段（critical region）。

如果能够进行适当安排，使得两个进程不可能同时处于临界区，则能够避免竞争条件。

我们认为一个好的方案应该能解决竞争条件的同时，依然高效地进行操作，满足以下四个条件：

1. 任何两个进程不能同时处于临界区。
2. 不应该对CPU的速度和树木做任何假设。
3. 临界区外的进程不得阻塞其他进程。
4. 不能使进程在临界区外无休止的等待。

忙等待的互斥

关闭中断

这是最简单也最直接的方案，使得每个进程在进入临界区后先关闭中断，在离开之前再打开中断。

中断被关闭后，时钟中断也会关闭。因此CPU在做完临界区之前都不会发生进程切换。

缺点：

1. 把关闭中断的权利交给用户进程是不明智的。可能会造成系统终止。
2. 不适用于多CPU情形。
3. 在实际中很少采用。

关闭中断对于操作系统是一项很有用的技术，但对于用户进程不是一种合适的通用互斥机制。

锁变量

设想有一个共享锁变量，在进程想要进入临界区时，先测试这把锁。

但可以想象，如果锁变量依然是普通类型（不是原子类型），则依然会发生竞争条件。

严格交替法

首先看示意代码：

/// process 0 ////
while(true){  
    while(turn!=0);  
    critical_region();  
    turn=1;  
    noncritical_region();  
}  
/// process 1 ////
while(true){  
    while(turn!=1);  
    critical_region();  
    turn=0;  
    noncritical_region();  
}  

process 0 必须在 turn 变量等于0时才会进入临界区，process 1 必须在 turn 变量等于1时才能进入临界区。

假设turn变量初始化为0，则process 1会一直持续地检测一个变量，直到为1才执行下面的代码。这种等待为忙等待。一个适用于忙等待的锁称为自旋锁（spin lock）。

仔细观察以上代码，两个进程互相依靠对方提供的turn变量才能继续下去。若一个进程的noncrit