C程序中的Peterson图问题

1. Peterson图介绍

Peterson图最初是由Peterson在1969年提出的，是一种用于解决多线程同步互斥的经典算法。它通过两个进程共享两个临界资源来实现进程间的同步。在Peterson图中，两个进程竞争共享资源的过程就像两个人进入洗手间时需要互相等待一样。

对于任意两个进程P0和P1，定义一个共享变量turn和一个数组flag[2]。其中turn表示当前可以占用共享变量的进程编号，flag[0]和flag[1]分别表示两个进程是否正在占用临界资源。具体实现可以使用如下代码：

int turn;
bool flag[2];

2. Peterson图实现

2.1. 互斥锁实现

实现Peterson图最简单的方式就是使用互斥锁。在C语言中，我们可以使用pthread库中的pthread_mutex_t来实现一把互斥锁。具体实现可以使用如下代码：

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void P(int i) {
    int j = 1 - i;
    flag[i] = true;
    turn = i;
    while (flag[j] && turn == i);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 进入临界区域
}
void V(int i) {
    int j = 1 - i;
    flag[i] = false;
    // 离开临界区域
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

其中，P和V函数分别表示进入临界区域和离开临界区域的操作。由于 P 和 V 操作可能会被中断，因此需要使用while循环来确保进程能够正确地等待对方占用共享资源的过程。

2.2. 原子操作实现

除了使用互斥锁之外，我们还可以使用一些原子操作来实现Peterson图算法。在C语言中，我们可以使用GCC内置的原子操作函数来实现。具体实现可以使用如下代码：

#include <stdatomic.h>
atomic_int turn = 0;
atomic_bool flag[2] = {false, false};
void P(int i) {
    int j = 1 - i;
    flag[i] = true;
    turn = i;
    while (flag[j] && turn == i);
    // 进入临界区域
}
void V(int i) {
    int j = 1 - i;
    flag[i] = false;
    // 离开临界区域
    atomic_thread_fence(memory_order_release);
    turn = j;
}

与互斥锁实现不同的是，这里使用了atomic_int和atomic_bool类型来声明共享变量。在进入临界区域之前，我们需要使用while循环来等待对方释放资源，并且使用atomic_thread_fence函数来确保turn变量先于flag变量被更新。

3. 总结

本文介绍了Peterson图算法的实现方式，包括使用互斥锁和使用原子操作两种方式。这两种方式都可以保证多个进程之间的同步和互斥，但是它们的实现方式略有不同。在实际开发中，我们需要根据具体环境来选择合适的实现方式。