第十五课：临界区问题（Critical Section Problem）

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一、什么是临界区问题？

上一课我们学了：

例如：

balance = balance - 50;

这段代码：

就是：

临界区。

现在：

两个线程：

都想：

进入。

怎么办？

操作系统：

必须：

决定：

谁先进去？

谁在外面等？

这就是：

临界区问题（Critical Section Problem）

一句话总结：

如何让多个进程（或线程）安全地访问临界资源。

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二、一个错误的方法——关闭中断

有同学会想到：

CPU 不就是因为切换线程才出错的吗？

那我：

关闭中断

↓

CPU就不会切换

是不是：

就不会：

出错？

例如：

进入临界区

↓

关闭中断

↓

修改余额

↓

打开中断

听起来很好。

但是：

实际上：

几乎不用。

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为什么？

第一：

用户程序：

不能：

随便关闭中断。

否则：

任何程序：

都可以：

让电脑：

失去响应。

这是非常危险的。

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第二：

多核CPU。

假设：

有：

CPU1

CPU2

CPU1：

关闭了：

中断。

CPU2：

还能：

继续：

修改余额。

所以：

还是：

出错。

因此：

关闭中断：

不是通用方案。

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三、第二种方法——忙等待（Busy Waiting）

假设：

门口：

挂着：

一个牌子。

busy = false

意思：

没人。

于是：

线程A：

看到：

没人。

进去。

然后：

改成：

busy = true

线程B：

来到。

发现：

busy = true

就在门口：

一直：

检查。

while(busy){

    一直等
}

这种方式：

叫：

忙等待（Busy Waiting）

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什么叫忙等待？

不是：

睡觉。

而是：

CPU：

一直：

执行：

while(true)

不停：

问：

好了没？

好了没？

好了没？

CPU：

一直：

空转。

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忙等待有什么缺点？

例如：

线程A：

进入：

临界区。

需要：

10秒。

线程B：

这10秒：

一直：

循环。

CPU：

是不是：

白白：

浪费了？

所以：

忙等待：

效率：

很低。

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四、为什么"检查 busy"也会出错？

很多同学第一次会说：

“busy 不就一个变量吗？”

问题来了。

假设：

开始：

busy = false

线程A：

执行：

if(!busy)

CPU：

刚判断：

没人。

准备：

进入。

突然：

切换。

线程B：

也判断：

busy == false

于是：

两个线程：

一起：

进去。

是不是：

又失败了？

所以：

判断和修改不能分开。

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五、原子操作（Atomic Operation）

于是：

提出一个概念：

原子操作（Atomic Operation）

什么叫原子？

来自：

物理学。

意思：

不能再分。

在操作系统中：

表示：

一个操作执行过程中，不会被中断。

例如：

判断busy

+

修改busy

必须：

一次：

完成。

不能：

执行一半。

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六、锁（Lock）的思想

于是：

操作系统：

发明：

锁。

生活中：

像这样：

房门

↓

钥匙

只有：

拿到钥匙。

才能：

进去。

别人：

只能：

等。

程序：

也是：

一样。

进入：

临界区。

第一步：

加锁

出来：

解锁

于是：

流程：

加锁

↓

进入临界区

↓

修改数据

↓

解锁

是不是：

很像：

厕所：

锁门？

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七、进入区、临界区、退出区、剩余区

教材中经常会出现四个区域。

一定要会区分。

┌──────────────┐
│ 进入区       │
├──────────────┤
│ 临界区       │
├──────────────┤
│ 退出区       │
├──────────────┤
│ 剩余区       │
└──────────────┘

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① 进入区（Entry Section）

作用：

申请进入。

例如：

加锁

检查busy

都是：

进入区。

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② 临界区（Critical Section）

真正：

修改：

共享数据。

例如：

余额--

库存--

打印

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③ 退出区（Exit Section）

作用：

释放资源。

例如：

busy=false

解锁

让：

别人：

进去。

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④ 剩余区（Remainder Section）

剩下：

普通代码。

例如：

打印欢迎信息

计算数学题

播放音乐

和：

共享资源：

没关系。

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八、临界区问题的三个要求（★★★★★）

这是考试高频考点。

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① 互斥（Mutual Exclusion）

任何时候：

最多：

一个线程：

进入：

临界区。

这是：

最基本要求。

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② 空闲让进（Progress）

如果：

没人：

进入。

别人：

应该：

立刻：

进去。

不能：

一直：

卡住。

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③ 有限等待（Bounded Waiting）

不能：

永远：

等。

例如：

线程A：

进去：

1000次。

线程B：

一次：

都没进去。

这就是：

饥饿。

必须：

保证：

最终：

能进入。

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九、教材里的经典图

线程A

进入区

↓

临界区

↓

退出区

↓

剩余区

────────────

线程B

进入区

↓

临界区

↓

退出区

↓

剩余区

只有：

临界区

不能：

同时：

进入。

其它区域：

可以：

并发执行。

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十、为什么还要继续学习？

到目前为止。

我们知道：

需要：

互斥

↓

加锁

↓

解锁

但是：

真正的问题来了。

这个：

锁。

到底：

怎么实现？

程序：

怎么知道：

什么时候：

等待？

什么时候：

唤醒？

这就是：

下一课：

信号量（Semaphore） 。

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十一、本课重点总结

必须掌握

✅ 临界区问题：如何让多个线程安全访问临界资源。

✅ 原子操作：执行过程中不可中断。

✅ 锁（Lock）：保证同一时刻只有一个线程进入临界区。

✅ 四个区域：

进入区

↓

临界区

↓

退出区

↓

剩余区

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三大要求（★★★★★）

牢记：

1. 互斥 ：同一时刻只能有一个线程进入临界区。
2. 空闲让进（Progress） ：临界区空闲时，应允许一个等待线程进入。
3. 有限等待（Bounded Waiting） ：等待时间必须有上界，避免饥饿。

注意：上一课讲的"让权等待"是 同步机制设计的一般原则 ；而教材在"临界区问题"这里通常强调的是 互斥、空闲让进、有限等待 这三个要求。不要混淆。