4、多线程编程中的互斥算法详解

多线程编程中的互斥算法详解

在多处理器编程中，互斥是一种非常普遍的协调形式。本文将深入探讨经典的互斥算法，这些算法通过读写共享内存来实现，虽然在实际中较少使用，但它们能帮助我们理解同步领域中出现的算法和正确性问题。

1. 时间的概念

在并发计算中，对时间的推理至关重要。我们有时希望事件同时发生，有时则希望它们在不同时间发生。为了清晰地描述事件和时间间隔，我们引入了一些简单的词汇和符号。

事件是瞬间发生的，不同的事件发生在不同的时间。线程 A 会产生一系列事件，我们用 $a_j^i$ 表示事件 $a_i$ 的第 $j$ 次发生。如果事件 $a$ 发生的时间早于事件 $b$，则记为 $a → b$，这种先后关系是事件的全序关系。

时间间隔 $(a_0, a_1)$ 是事件 $a_0$ 和 $a_1$ 之间的持续时间。如果间隔 $I_A = (a_0, a_1)$ 的最后一个事件早于间隔 $I_B = (b_0, b_1)$ 的第一个事件，即 $a_1 → b_0$，则记为 $I_A → I_B$，这种关系是间隔的偏序关系。没有这种先后关系的间隔称为并发间隔。

2. 临界区

在单线程系统中， Counter 类的实现是正确的，但在多线程环境中会出现问题。问题出在多个线程同时读取和更新 value 字段时。为了避免这个问题，我们可以将这两行代码转换为临界区，即一次只能由一个线程执行的代码块，这种属性称为互斥。

实现互斥的标准方法是使用 Lock 对象，其接口如下：