操作系统设计与实现：深入解析 1

《Operation System Design and Implementation》（中文名：《操作系统设计与实现》）这本书可以说是讲述操作系统原理的经典之作，但令人意犹未尽的是，书中的内容多侧重于“如何做”，而对“为什么要这么做”往往只有寥寥数语。本文及后续的文章试图从更深入的层次去解析书中的内容，与各位共探讨。我假定您读过这本书，并对书中的内容有一定的熟悉程度，因此对书中原有内容将不再重复。后面的内容均基于该书英文版第三版。在必要的时候我会列出和我所写内容相关的书的章节号。

第一篇 关于临界段（原书相关内容：Section 2.2.3）

先看书的作者给出的解决critical region问题的两段程序：

while(TRUE) {
while(turn != 0);
critical_region();
turn = 1;
noncritical_region();
}

while(TRUE) {
while(turn != 1);
critical_region();
turn = 0;
noncritical_region();
}

这可以说是解决critical region问题的一个最简方案——不需要特别的硬件支持（不需要CPU有lock类指令）。尽管该方案存在着一些不好的限制（例如两个process只能且必须轮流进入critical region），但我们可以将该解决方案做为讨论问题的起点。

在看过书的作者给出的对以上代码的解释过后，有几个问题自然浮现于脑海：

1. 该方案解决critical region的基本原理是什么？

2. 是否可将该方案推广到任意个process？

3. 是否可以对其进行修改，以解决必须轮流进critical region的问题？

对第一个问题，我们仔细看一下turn变量。两个process进入critical region都会检测turn的值是否为0/1，而在退出critical region时会将turn设置为1/0。如果您曾了解过令牌环网，您也许就会想到，turn在此处实际上相当于一个令牌。两个process在进入critical region之前需要先获取令牌（检测turn为0/1），退出critical region时将该令牌释放（设置turn为1/0）。想到此处，问题2，3就迎刃而解了：

解答2. 将其推广到任意个process

假定我们有N个process，仍然将turn当作令牌来用，为每个process分配一个令牌ID (0~N-1)，那么进程n就有如下代码:

while(TRUE) {
while(turn != n);    // 等待令牌
critical_region();
turn = (n+1) % N;    // 将令牌交给下一个进程
noncritical_region();
}

解答3. 如果某个不需要进入critical region的进程得到了令牌，那么只需将令牌直接交给下一个进程即可。相关代码就不详细列出了。