互斥的彼得森算法设置 1(基本 C 实现)

在并发编程中，互斥锁是一种常用的同步机制，它可以保证共享资源在任意时刻只被一个线程访问，从而保证线程安全。而彼得森算法则是一种通过轮流获取锁来避免死锁的经典算法。本文将介绍如何使用彼得森算法来实现互斥锁，并提供基本 C 语言的实现代码。

彼得森算法的原理

彼得森算法是一种利用标记变量和轮流获取锁的方法来避免死锁的算法。具体而言，每个线程在获取互斥锁之前都需要先设置一个标记位，然后不断地等待对方线程完成操作，直到自己的标记位是最后一个或者对方线程已经释放了锁。当自己的标记位是最后一个时，就可以获取到锁，否则就需要等待。这样就可以避免死锁，因为只有一个线程能够获取到锁。

彼得森算法的实现

在基本 C 语言中，我们可以通过定义一个共享资源和两个标志位来模拟互斥锁的实现。具体而言，我们可以定义如下的结构体：

typedef struct {
    int resource;
    int flag[2];
    int turn;
} PetersonLock;

其中，resource 表示共享资源的值，flag 数组表示两个线程的标记位，turn 表示当前应该获取锁的线程。接下来，我们可以定义如下的函数来实现彼得森算法：

void enterCriticalSection(PetersonLock* lock, int id) {
    int other = 1 - id;
    lock->flag[id] = 1;
    lock->turn = other;
    while (lock->flag[other] && lock->turn == other);
}

void leaveCriticalSection(PetersonLock* lock, int id) {
    lock->flag[id] = 0;
}

其中，enterCriticalSection 函数表示进入临界区的操作，id 表示当前线程的 ID。该函数首先将自己的标记位设置为 1，然后将 turn 设置为对方线程的 ID，然后不断地等待对方线程完成操作，即对方的标记位为 0 或者是当前线程的 ID。当对方线程操作完成之后，就可以获取到锁了。leaveCriticalSection 函数表示离开临界区的操作，id 表示当前线程的 ID。该函数只需要将自己的标记位设置为 0 即可。

完整代码片段

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

typedef struct {
    int resource;
    int flag[2];
    int turn;
} PetersonLock;

PetersonLock lock;

void enterCriticalSection(PetersonLock* lock, int id) {
    int other = 1 - id;
    lock->flag[id] = 1;
    lock->turn = other;
    while (lock->flag[other] && lock->turn == other);
}

void leaveCriticalSection(PetersonLock* lock, int id) {
    lock->flag[id] = 0;
}

void* thread1(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        enterCriticalSection(&lock, 0);
        lock.resource++;
        leaveCriticalSection(&lock, 0);
    }
}

void* thread2(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        enterCriticalSection(&lock, 1);
        lock.resource--;
        leaveCriticalSection(&lock, 1);
    }
}

int main() {
    lock.resource = 0;
    lock.flag[0] = 0;
    lock.flag[1] = 0;
    pthread_t t1, t2;
    int ret1, ret2;

    ret1 = pthread_create(&t1, NULL, thread1, NULL);
    if (ret1 != 0) {
        printf("Error: pthread_create(%d)", ret1);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ret2 = pthread_create(&t2, NULL, thread2, NULL);
    if (ret2 != 0) {
        printf("Error: pthread_create(%d)", ret2);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Resource: %d\n", lock.resource);

    return 0;
}

以上是一个使用彼得森算法实现互斥锁的基本 C 实现。需要注意的是，在实际应用中，我们应该尽量使用系统提供的原子操作或者互斥锁来保证线程安全，因为手动实现的锁可能存在性能问题和竞态条件的隐患。