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（操作系统题目题型总结）第三章：同步与互斥

發(fā)布時(shí)間：2025/3/15 windows 23 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了（操作系统题目题型总结）第三章：同步与互斥小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

費(fèi)翔林課本習(xí)題

思考題

1.試述順序程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及采用順序程序設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

【答案】

特點(diǎn)：

執(zhí)行的順序性：一個(gè)程序在處理器上是嚴(yán)格按序執(zhí)行的，每個(gè)操作必須在下一個(gè)操作開始前結(jié)束
環(huán)境的封閉性：運(yùn)行程序獨(dú)占全機(jī)資源，資源狀態(tài)只能由此程序本身決定，也不受到外界環(huán)境因素影響
結(jié)果的確定性：程序在執(zhí)行過程中允許1出現(xiàn)中斷，但是這種中斷不會對程序最終結(jié)果產(chǎn)生影響，也就是說程序執(zhí)行結(jié)果與他的執(zhí)行速度無關(guān)
過程的可再現(xiàn)性：程序針對同一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行過程在下一次執(zhí)行時(shí)會重現(xiàn)，也即重復(fù)執(zhí)行程序會獲得相同搞得執(zhí)行過程和計(jì)算結(jié)果

優(yōu)點(diǎn)是程序的編址和調(diào)試很方便，但缺點(diǎn)就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率低下

2.試述并發(fā)程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及采用并發(fā)程序設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)（★★★）

【答案】

特點(diǎn)：程序的執(zhí)行不再是順序的，一個(gè)程序未執(zhí)行完而另一個(gè)程序便已經(jīng)開始執(zhí)行，程序外部的順序特性消失，程序與計(jì)算不再一一對應(yīng)

優(yōu)點(diǎn)

若為單處理器系統(tǒng)，可以有效利用資源，讓處理器和設(shè)備,設(shè)備和設(shè)備同時(shí)工作，充分發(fā)揮硬部件的并行工作能力
若為多處理器系統(tǒng)，可以讓進(jìn)程在不同處理器上物理地并行工作，加快計(jì)算速度
簡化程序設(shè)計(jì)任務(wù)，一般來說，編制并發(fā)的小程序進(jìn)度快，容易保證正確性

缺點(diǎn)

可能會出現(xiàn)各種與時(shí)間有關(guān)的錯誤，例如結(jié)果唯一或永遠(yuǎn)等待

3.解釋并發(fā)與并行（★★★）

【答案】

并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生
并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔發(fā)生

在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻僅能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行

4.解釋可再入程序與可再用程序

可再入程序：又稱為可重入程序，是指能被多個(gè)程序同時(shí)調(diào)用的程序，是純代碼，在執(zhí)行過程中不被修改
可再用程序：在調(diào)用過程中可以自身修改，在調(diào)用它的程序退出之前是不允許其他程序來調(diào)用的

5.解釋并發(fā)進(jìn)程的無關(guān)性和交互性（★★★）

【答案】

無關(guān)性：無關(guān)的并發(fā)進(jìn)程是指它們分別在不同的變量集合上操作，一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行與其他并發(fā)進(jìn)程的進(jìn)展無關(guān)，也即一個(gè)進(jìn)程不會改變另一個(gè)與其并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程的變量
交互性：交互的并發(fā)進(jìn)程共享某些變量，一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行可能會影響其他進(jìn)程的執(zhí)行結(jié)果，交互的并發(fā)進(jìn)程之間具有制約關(guān)系

6.解釋進(jìn)程的競爭與協(xié)作關(guān)系

【答案】

競爭關(guān)系：批處理系統(tǒng)中建立多個(gè)批處理進(jìn)程，分時(shí)系統(tǒng)中建立多個(gè)交互式進(jìn)程，它們共享一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，使得原本不存在邏輯關(guān)系的諸進(jìn)程因共享資源而產(chǎn)生了交互和制約關(guān)系，這是間接制約關(guān)系，又叫做互斥關(guān)系，操作系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)對共享資源的爭用
協(xié)作關(guān)系：一個(gè)作業(yè)可涉及一組并發(fā)進(jìn)程，它們?yōu)榱送瓿晒餐蝿?wù)需要分工協(xié)作，由于每個(gè)進(jìn)程都獨(dú)立地以不可預(yù)知的速度推進(jìn)，在執(zhí)行的先后次序上就要有約束，需要相互協(xié)作的進(jìn)程在某些關(guān)鍵點(diǎn)上協(xié)調(diào)各自的工作。當(dāng)其中一個(gè)進(jìn)程到達(dá)關(guān)鍵點(diǎn)后，在尚未得到其伙伴進(jìn)程發(fā)來的消息或信號之前應(yīng)該阻塞自己，等待協(xié)作者發(fā)來信號或消息后方被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行。這種協(xié)作進(jìn)程之間需要排定執(zhí)行先后次序的協(xié)調(diào)關(guān)系是直接制約關(guān)系，稱為進(jìn)程同步

7.試述進(jìn)程的互斥與同步兩個(gè)概念之間的異同（★★★）

【答案】

進(jìn)程同步：進(jìn)程同步又叫做直接制約關(guān)系，它是指為完成某種任務(wù)而建立的兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程因?yàn)樾枰谀承┪恢蒙蠀f(xié)調(diào)工作次序而產(chǎn)生一種制約關(guān)系
進(jìn)程互斥：進(jìn)程互斥叫做間接制約關(guān)系，它是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程訪問某臨界資源時(shí)，另一個(gè)想要訪問該臨界資源的進(jìn)程必須等待。當(dāng)前訪問臨界資源的進(jìn)程訪問結(jié)束后，并釋放資源后，另一個(gè)進(jìn)程才可以訪問

8.什么是臨界區(qū)和臨界資源？臨界區(qū)管理的基本原則是什么（★★★）

【答案】

臨界區(qū)：并發(fā)進(jìn)程中與共享變量有關(guān)的程序段稱為臨界區(qū)
臨界資源：共享變量所代表的資源稱為臨界資源

四個(gè)原則

空閑讓進(jìn)：臨界區(qū)空閑時(shí)，可以允許一個(gè)請求進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程立即進(jìn)入臨界區(qū)
忙則等待：當(dāng)已有進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須等待
有限等待：對請求訪問的進(jìn)程，應(yīng)該保證能在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入臨界區(qū)，也就是不能饑餓
讓權(quán)等待：當(dāng)進(jìn)程不能進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，應(yīng)該立即釋放處理機(jī)，防止進(jìn)程處于忙等待狀態(tài)

11.試述Deek而算法實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥的原理

算法思想：該算法會設(shè)置一個(gè)布爾型的數(shù)組flag[]，用于標(biāo)記各進(jìn)程是否想要進(jìn)入臨界區(qū)，比如"flag[0]=true"表示0號進(jìn)程 $P_{0}$ 現(xiàn)在想要進(jìn)入臨界區(qū)。每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前先檢查當(dāng)前有沒有別的進(jìn)程想進(jìn)入臨界區(qū)，如果沒有則把自身對應(yīng)的標(biāo)志設(shè)置為true，之后開始訪問臨界區(qū)

具體實(shí)施：設(shè)置一個(gè)布爾型的數(shù)組flag[]，開始時(shí)均設(shè)置為flase，表示都不想進(jìn)入臨界區(qū)，以分析 $P_{1}$ 為例

開始， $P_{1}$ 進(jìn)程會檢查 $P_{0}$ 進(jìn)程是否想要進(jìn)入臨界區(qū)，如果flag[0]=true，那么 $P_{1}$ 就會被卡住
如果flag[0]=false，表示 $P_{1}$ 此時(shí)確認(rèn) $P_{0}$ 不想進(jìn)入臨界區(qū)，那么它就不會被卡住。然后它進(jìn)入臨界區(qū)之前，會被自己的flag[1]設(shè)置為true，向其他進(jìn)程表明自己想要進(jìn)入臨界區(qū)
臨界區(qū)訪問完畢之后，設(shè)置flag[1]=false

算法缺陷：違背了“忙則等待”原則。因?yàn)樵谶@種算法下，兩個(gè)進(jìn)程是并發(fā)的，并發(fā)導(dǎo)致異步，意味著兩個(gè)進(jìn)程可能會同時(shí)訪問臨界區(qū)

10.試述Peterson算法實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥的原理

算法思想：為了防止兩個(gè)進(jìn)程為了進(jìn)入臨界區(qū)而無限期等待，又設(shè)置了一個(gè)變量turn，每個(gè)進(jìn)程先設(shè)置自己的標(biāo)志后再設(shè)置turn標(biāo)志，再同時(shí)檢測另一個(gè)進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志和不允許進(jìn)入標(biāo)志，以保證兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)要求進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，只允許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)

具體實(shí)施：以分析對于 $P_{1}$ 進(jìn)程為例：

flag[1]=true表示 $P_{1}$ 想要進(jìn)入臨界區(qū)，然后turn=0，是一種“謙讓操作”，表示可以優(yōu)先讓 $P_{0}$ 進(jìn)入臨界區(qū)
此時(shí)如果 $P_{0}$ 已經(jīng)在臨界區(qū)，那么 $P_{1}$ while循環(huán)滿足，就會被卡住；如果 $P_{0}$ 不想進(jìn)入臨界區(qū)，那么肯定有 $P_{0}$ 的flag[0]=flase, $P_{1}$ 就不會被卡住

算法優(yōu)點(diǎn)：遵循了空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待這三個(gè)原則

算法缺陷：相較于前三種算法來說，是比較好的，但是還是有缺陷，未能遵循讓權(quán)等待的原則。因?yàn)樵谏厦娴哪莻€(gè)例子中，即便 $P_{1}$ 不能進(jìn)入臨界區(qū)，它還是會卡在while循環(huán)，不能釋放處理機(jī)，使處理機(jī)處于了忙等狀態(tài)

11.哪些硬件設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)管理？簡述其用法

【答案】

①：中斷屏蔽方法
思想：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在使用處理機(jī)執(zhí)行它的臨界區(qū)代碼時(shí)，為了防止其他進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行訪問的，直接“暴力的”禁止一切中斷發(fā)生，或稱之為屏蔽中斷、關(guān)中斷。因?yàn)镃PU只在發(fā)生中斷時(shí)引起進(jìn)程切換

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)： 簡單、高效
缺點(diǎn)： 不適用于多處理機(jī)，限制了處理機(jī)交替執(zhí)行程序的能力，因此執(zhí)行的效率會明顯降低；且只適用于內(nèi)核進(jìn)程，不適用于用戶進(jìn)程（因?yàn)殚_關(guān)中斷指令屬于特權(quán)指令）

②：TestAndSet指令(TSL)
思想：可以為每個(gè)臨界資源設(shè)置一個(gè)共享布爾變量lock，lock=true表示正在被占用，初值設(shè)為false。在進(jìn)程訪問臨界資源之前，利用TestAndSet檢查和修改標(biāo)志lock，如果有進(jìn)程在臨界區(qū)，則重復(fù)檢查，直到進(jìn)程退出。大致邏輯如下

while TestAndSet(&lock);//上鎖檢查 //臨界區(qū)代碼段 lock=false;//解鎖、退出區(qū) //剩余區(qū)代碼段

TestAndSet指令：這是一個(gè)原子操作，執(zhí)行過程中絕對不會被中斷，使用硬件實(shí)現(xiàn)。其功能是讀出指令標(biāo)志后把該標(biāo)志設(shè)為true。以下是功能描述

bool TestAndSet(bool* lock) {bool old;//用于存放*lock原來的值old=*lock;*lock=true;//無論是否加鎖，一律設(shè)為truereturn old;//返回lock原來的值 }

具體過程

如果剛開始lock=false，則TSL返回的old就是false，while條件不滿足，直接進(jìn)入臨界區(qū)
如果剛開始lock=true，則TSL返回的old就是true,while條件滿足，會一直循環(huán)，直到當(dāng)前訪問臨界區(qū)的進(jìn)程在退出區(qū)進(jìn)行解鎖

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)： 相比軟件方法，TSL把上鎖和檢查操作使用硬件的方式編程了原子操作。所以實(shí)現(xiàn)簡單，不會像軟件實(shí)現(xiàn)那樣產(chǎn)生邏輯漏洞
缺點(diǎn)： 不滿足讓權(quán)等待 ，暫時(shí)無法進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程會占用CPU并循環(huán)執(zhí)行TSL，使CPU忙等

③：swap指令（exchange）
能不能完成原子操作可以看其匯編指令，比如++i這就不是原子操作，因?yàn)樗枰龡l匯編指令，需要經(jīng)過加載-運(yùn)算-放回操作

思想：可以為每個(gè)臨界資源設(shè)置一個(gè)共享布爾變量lock，lock=true表示正在被占用，初值設(shè)為false；然后在每個(gè)進(jìn)程中再設(shè)置一個(gè)局部變量key，用于和lock交換信息。在進(jìn)入臨界區(qū)之前，先利用swap指令交換lock與key的內(nèi)容，然后檢查key的狀態(tài)，有進(jìn)程在臨界區(qū)時(shí)，重復(fù)交換和檢查過程，直到進(jìn)程退出。大致邏輯如下

key=true; while(key!=false)swap(&lock,&key); //臨界區(qū)代碼段 lock=false; //剩余區(qū)代碼段

swap指令：該指令用于交換兩個(gè)字的內(nèi)容，使用硬件實(shí)現(xiàn)。屬于原子操作，其對應(yīng)的匯編指令如下

xchgb %al,mutex

王道書上給出了C語言描述，但是我覺得不好，這是原子性操作，那種代碼感覺似乎需要三個(gè)步驟一樣，直接看匯編即可。其中al和mutex是寄存器

具體過程

如果剛開始臨界區(qū)就已經(jīng)被上鎖，那么先將其記錄在key上，也即key=true，那么此時(shí)while循環(huán)條件滿足，一直執(zhí)行swap，直到此時(shí)處在臨界區(qū)的進(jìn)程退出時(shí)將lock設(shè)為false，交換給key，然后結(jié)束循環(huán)
如果剛開始臨界區(qū)沒有被上鎖，那么先將其記錄在key上，也即key=false，那么此時(shí)while循環(huán)條件不滿足，直接進(jìn)入臨界區(qū)

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，不會像軟件實(shí)現(xiàn)那樣產(chǎn)生邏輯漏洞，適用于多處理機(jī)環(huán)境
缺點(diǎn)：不滿足讓權(quán)等待 ，暫時(shí)無法進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程會占用CPU并循環(huán)執(zhí)行TSL，使CPU忙等

12.什么是信號量？如何對其分類（★★★）

【答案】

1965年，荷蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)家E. W. Djkstra提出新的同步工具一信號量和PV提作，他將交通管制中多種顏色的信號燈管理方法引人操作系統(tǒng)，讓多個(gè)進(jìn)程通過特殊變
量展開交互。一個(gè)進(jìn)程在某一關(guān)鍵點(diǎn) 上被迫停止執(zhí)行直至接收到對應(yīng)的特殊變量值，通過這一措施，任何復(fù)雜的進(jìn)程交互要求均可得到滿足，這種特殊變量就是信號量( semaphore)。為了通過信號量傳送信號,進(jìn)程可利用P和V兩個(gè)特殊操作來發(fā)送和接收信號，如果協(xié)作進(jìn)程的相應(yīng)信號仍未送到，則進(jìn)程被掛起直至信號到達(dá)為止。在操作系統(tǒng)中用信號量表示物理資源的實(shí)體，它是一個(gè)與隊(duì)列有關(guān)的整型變量。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，信號量是一種變量類型，用一個(gè)記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，有兩個(gè)分量：一個(gè)是信號量的值,另一個(gè)是信號量隊(duì)列指針。信號量在操作系統(tǒng)中主要用于封鎖臨界區(qū)、進(jìn)程同步及維護(hù)資源計(jì)數(shù)。除了賦初值之外,信號量僅能由同步原語PV對其進(jìn)行操作，不存在其他方法可以檢查或操作信號量,PV操作的不可分割性確保執(zhí)行時(shí)的原子性及信號量值的完整性。Dijkstra 發(fā)明信號量操作原語:P和V操作(荷蘭語中“檢測”(Pro-beren)和“增量”( Verhogen)的首字母)，常用的符號還有up和down等。利用信號量和PV操作既可解決并發(fā)進(jìn)程競爭問題，又可解決并發(fā)進(jìn)程協(xié)作問題

按其用途分類：

公用信號量：聯(lián)系一組并發(fā)進(jìn)程，相關(guān)進(jìn)程均可在此信號量上執(zhí)行PV操作，初值為1，用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥
私有信號量：聯(lián)系一組并發(fā)進(jìn)程，僅允許信號量所用的進(jìn)程執(zhí)行P操作，而其他相關(guān)進(jìn)程可在其上執(zhí)行V操作，初值往往為0或正整數(shù)，多用于并發(fā)進(jìn)程同步

按其取值分類：

二值信號量：僅允許取值為0或1，主要用于解決進(jìn)程互斥問題
一般信號量：允許取大于1的數(shù)值，主要用于解決進(jìn)程同步問題

PV操作

P操作（wait(S)原語）：這個(gè)操作會把信號量減去1，相減后如果信號量<0則表示資源已經(jīng)被占用，進(jìn)程需要阻塞；相減后如果信號量 $≥0\ge0$ ，則表明還有資源可以使用，進(jìn)程可以正常執(zhí)行
V操作（signal(S)原語）：這個(gè)操作會把信號量加上1，相加后如果信號量 $≤0\le0$ ，則表明當(dāng)前有阻塞中的進(jìn)程，于是會把該進(jìn)程喚醒；相加后如果信號量>0，則表明當(dāng)前沒有阻塞中的進(jìn)程

13.為什么PV操作均為不可分割的原語操作

【答案】

因?yàn)樗麄儽欢x為了如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和不可中斷過程（以記錄型信號量為例）

typedef struct semaphore {int value;//信號量值struct pcb* list;//信號量隊(duì)列指針 }void P(semapore s) {s.value--;if(s.vaue < 0)sleep(s.list); } void V(semaphore s) {s.value++;if(s.value <= 0)wakeup(s.list); }

14.何為管程？它有哪些屬性（★★★）

【答案】

管程(Monitor)：它是一種特殊的軟件模塊，由以下部分組成

局部于管程的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明——可以理解為類的成員
對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作的一組過程(函數(shù))——可以理解為類的方法
對局部于管程的數(shù)據(jù)設(shè)置初始值的語句——可以理解為類的構(gòu)造函數(shù)
管程有一個(gè)名字——可以理解為類名

所以，管程是一個(gè)代表共享資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)程對共享資源的申請、釋放等操作是通過過程來實(shí)現(xiàn)的（過程就是對這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作），這組過程還可以根據(jù)資源情況，或接受或阻塞進(jìn)程的訪問，確保每次僅有一個(gè)進(jìn)程使用共享資源，這樣就可以統(tǒng)一管理對共享資源的所有訪問，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥，即：

monitor Test//定義了一個(gè)名稱為"Test"的管程 {Data Structure DS;//定義共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)系統(tǒng)中的某種共享資源Init_Code()//對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化語言{DS=5;//初始資源數(shù)目為5}Take_Away()//過程1：申請一個(gè)資源{對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一系列操作DS--;//可用資源數(shù)目減一...}Give_Back()//過程2：歸還一個(gè)資源{對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一系列操作DS++;//可用資源數(shù)目加一...} }

管程基本特征：

共享性：管程中的移出過程可被所有要調(diào)用管程的過程的進(jìn)程所共享
安全性：管程的局部變量只能由此管程的過程訪問，不允許進(jìn)程或其他管程來直接訪問，一個(gè)管程的過程也不應(yīng)該訪問任何非局部于它的變量
互斥性：在任一時(shí)刻，共享資源的進(jìn)程可以訪問管程中的管理此資源的過程，但最多只有一個(gè)調(diào)用者能夠真正進(jìn)入管程，其他調(diào)用者必須等待直至管程可用

15.試述管程中條件變量的含義和作用（★★★）

【答案】

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入管程后被阻塞，直到阻塞的原因解除時(shí)，在此期間，如果該進(jìn)程不釋放管程，那么其他進(jìn)程無法進(jìn)入管程，為此，將阻塞原因定義為條件變量condition

如果一個(gè)進(jìn)程被阻塞的原因有多個(gè)，那么就設(shè)置多個(gè)條件變量，而每一個(gè)條件變量保存了一個(gè)等待隊(duì)列，用于記錄因該條件變量而阻塞的所有進(jìn)程，對于條件變量的操作只有兩種：wait和signal

x.wait：當(dāng)x對應(yīng)的條件不滿足時(shí)，正在調(diào)用管程的進(jìn)程調(diào)用x.wait將自己插入x條件的等待隊(duì)列，并釋放管程。此時(shí)其他進(jìn)程可以使用該管程
x.signal：當(dāng)x對應(yīng)的條件發(fā)生了變化，則調(diào)用x.signal，喚醒一個(gè)因x條件而阻塞的進(jìn)程

邏輯描述如下

monitor Test() {Data Structure DS;//定義共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)系統(tǒng)中的某種共享資源condition x;//定義了一個(gè)條件變量xInit_Code(){...}Take_Away(){if(DS<=0){x.wait();//資源不夠，在條件變量x上阻塞的大概}資源足夠，分配資源，做一系列相應(yīng)處理}Give_Back(){歸還資源，做一系列相應(yīng)處理if(進(jìn)程在等待)x.sginal();//喚醒一個(gè)阻塞進(jìn)程} }

可以看出：相較于信號量，條件變量或者管程把具體的同步互斥關(guān)系實(shí)現(xiàn)封裝了起來，只暴露兩個(gè)特別簡單的接口以供程序員調(diào)用，而這兩個(gè)接口其反應(yīng)的本質(zhì)問題就是資源是否存在，能否互斥訪問的問題，程序員不用關(guān)心復(fù)雜的同步互斥關(guān)系，只關(guān)心在相應(yīng)的程序邏輯下資源數(shù)目的問題

16.試比較管程與進(jìn)程

【答案】

管程所定義的是公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而進(jìn)程定義的是私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
管程把共享變量上的同步操作集中在一起統(tǒng)一管理，而臨界區(qū)卻分散在每個(gè)進(jìn)程中
管程是為了解決進(jìn)程共享資源的互斥而建立的，而進(jìn)程是為了占有系統(tǒng)資源和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并發(fā)性而引入的
管程被欲使用的共享資源的所有進(jìn)程所調(diào)用，管程和調(diào)用它的進(jìn)程不能并行工作；而進(jìn)程之間可以并行工作
管程可以作為語言或操作系統(tǒng)部分，不必創(chuàng)建或撤銷；進(jìn)程有其生命周期

17.為什么引入進(jìn)程通信

【答案】

并發(fā)進(jìn)程之間的交互必須滿足兩個(gè)基本要求:同步和通信。進(jìn)程同步本質(zhì)上是一種僅傳送信號的進(jìn)程通信，通過修改信號量，進(jìn)程之間可以建立聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)運(yùn)行和協(xié)同工作,但它缺乏傳遞數(shù)據(jù)的能力。在多任務(wù)系統(tǒng)中，可由多個(gè)進(jìn)程分工協(xié)作完成同一任務(wù),于是它們需要共享一些數(shù)據(jù)和相互交換信息，某些情況下交換的信息量很少，但在很多場合需要交換大批數(shù)據(jù)，可以通過通信機(jī)制來完成。進(jìn)程之間互相交換信息的工作稱為進(jìn)程通信( Inter - Process Communication,IPC) ,線程通信是從進(jìn)程通信演變而來,由于可區(qū)分單線程結(jié)構(gòu)進(jìn)程和多線程結(jié)構(gòu)進(jìn)程,進(jìn)程通信實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)程中的線程之間的通信。通信方式有很多，包括信號(signal)通信機(jī)制，管道( pipeline)通信機(jī)

18.試述信件、信箱和間接通信原語

【答案】

19.什么是管道？如何通過管道機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信（★★★）

【答案】

管道是連接讀寫進(jìn)程的一個(gè)特殊文件，允許按照FIFO方式傳送數(shù)據(jù)，也能使進(jìn)程同步執(zhí)行。管道是單向的，發(fā)送進(jìn)程視管道文件為輸出文件，以字符流的形式把大量數(shù)據(jù)送入管道；接受進(jìn)程視管道文件為輸入文件，從管道中接受數(shù)據(jù)，所以也稱為管道通信

20.試述進(jìn)程的低級通信工具和高級通信工具（★★★）

【答案】

21.什么是死鎖（★★★）

【答案】

死鎖：所謂死鎖，是指多個(gè)進(jìn)程因競爭資源而造成的一種互相等待的局面，若無外力作用，這些進(jìn)程將無法向前推進(jìn)

專業(yè)定義：如果一個(gè)進(jìn)程集合中的每個(gè)進(jìn)程都在等待只能由此集合中的其他進(jìn)程才能引發(fā)的事件，而無限期陷入僵持的局面稱之為死鎖

生活中死鎖的例子：我拿了你房間的鑰匙，而我在自己的房間；你拿了我的房間的鑰匙，而你又在自己的房間。如果我要從自己的房間走出去，必須要拿到你手中的鑰匙，但是你要走出來又必須要拿到我手中的鑰匙，于是形成了死鎖

22.試述死鎖產(chǎn)生的必要條件

【答案】

①：互斥條件
互斥條件：是指只有對必須互斥使用的資源搶奪時(shí)才可能導(dǎo)致死鎖。比如打印機(jī)設(shè)備就可能導(dǎo)致互斥，但是像內(nèi)存、揚(yáng)聲器則不會

進(jìn)程A已經(jīng)獲得資源，進(jìn)程B只能等待

②：不可剝奪條件

不可剝奪條件：是指進(jìn)程所獲得的資源在未使用完之前，不能由其他進(jìn)程強(qiáng)行奪走，只能主動釋放

③：持有并等待條件
持有并等待條件：是指進(jìn)程已經(jīng)至少保持了一個(gè)資源，但又提出了新的資源請求，但是該資源又被其他進(jìn)程占有，此時(shí)請求進(jìn)程被阻塞，但是對自己持有的資源保持不放

④：循環(huán)等待條件

循環(huán)剝奪條件：是指存在一種進(jìn)程資源的循環(huán)等待鏈，鏈中的每一個(gè)進(jìn)程已獲得的資源同時(shí)被下一個(gè)進(jìn)程所請求

23.列舉死鎖的各種防止策略

【答案】

死鎖處理策略：主要分為以下三種

預(yù)防死鎖：破壞死鎖產(chǎn)生的四個(gè)必要條件中的一個(gè)或幾個(gè)
避免死鎖：用某種方法防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，從而避免死鎖。例如銀行家算法
死鎖的檢測和解除：允許死鎖產(chǎn)生，不過操作系統(tǒng)會負(fù)責(zé)檢測出死鎖的發(fā)生，然后采取某種措施解決死鎖

應(yīng)用題

1.如何用信號量實(shí)現(xiàn)互斥操作

【答案】

思想：

1：分析并發(fā)進(jìn)程的關(guān)鍵活動，劃定臨界區(qū)
2：設(shè)置互斥信號量mutex，初值1
3：在臨界區(qū)之前執(zhí)行P操作
3：在臨界區(qū)之后執(zhí)行V操作

具體描述：

可用如下描述大致邏輯，有兩個(gè)進(jìn)程 $P_{1}$ 和 $P_{2}$

semaphore mutex=1;//互斥信號量 P1() {//其他代碼P(mutex);//進(jìn)入臨界區(qū)前加鎖臨界區(qū)代碼V(mutex);//退出臨界區(qū)時(shí)要解鎖}P1() {//其他代碼P(mutex);//進(jìn)入臨界區(qū)前加鎖臨界區(qū)代碼V(mutex);//退出臨界區(qū)時(shí)要解鎖}

進(jìn)程 $P_{1}$ 在訪問臨界資源前，先執(zhí)行了 $P$ 操作，由于信號量初值mutex=1，所以 $P_{1}$ 在執(zhí)行完 $P$ 操作后mutex變?yōu)?， $P_{1}$ 訪問臨界資源
此時(shí)進(jìn)程 $P_{2}$ 也想要訪問臨界資源，執(zhí)行 $P$ 操作后，其mutex變?yōu)榱?1，表明系統(tǒng)中已經(jīng)沒有可以分配的資源，所以執(zhí)行block原語，被阻塞
$P_{1}$ 訪問完臨界資源后，執(zhí)行 $V$ 操作，信號量恢復(fù)，即mutex=0，然后使用wakeup原語喚醒阻塞中 $P_{2}$ ，并將資源分配給它
$P_{2}$ 訪問完成之后，執(zhí)行 $V$ 操作，使信號量恢復(fù)至初值，即mutex=1

注意：
1：對不同的臨界資源需要設(shè)置不同的互斥信號量。例如 $P_{1}$ 和 $P_{2}$ 進(jìn)程爭搶A這種資源，那么就可以設(shè)置互斥信號量為mutex1， $P_{3}$ 和 $P_{4}$ 進(jìn)程爭搶B這種資源，那么就可以設(shè)置互斥信號量為mutex2

semaphore mutex1=1; semaphore mutex2=1;

2：一定注意P、V操作必須成對出現(xiàn)

缺少P操作： 不能保證臨界資源的互斥訪問
缺少V操作： 導(dǎo)致資源永遠(yuǎn)不會釋放，繼而等待進(jìn)程永遠(yuǎn)不會被喚醒

2.如何用信號量實(shí)現(xiàn)同步操作

【答案】

思想：

1：分析什么地方需要實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系，也即必須保證一前一后執(zhí)行的兩個(gè)操作（或代碼）
2：設(shè)置同步信號量S，初值0
3：在必須要先執(zhí)行的操作（代碼）之后執(zhí)行V操作
4：在必須要后執(zhí)行的操作（代碼）之前執(zhí)行P操作

具體描述：

可用如下描述大致邏輯，有兩個(gè)進(jìn)程 $P_{1}$ 和 $P_{2}$ 。其中代碼4要執(zhí)行必須保證代碼1和代碼2先執(zhí)行完畢，因此V操作在代碼1、2后面執(zhí)行；同樣代碼1和代碼2執(zhí)行完畢之后才能執(zhí)行代碼4，因此P操作要在代碼4之前。總體上看 $P_{1}$ 一定要先于 $P_{2}$ 運(yùn)行

semphore S=0;//同步信號量P1() {代碼1；代碼2V(S);代碼3; }P2() {P(S);代碼4；代碼5代碼6; }

如果先執(zhí)行了P操作，那么表明此時(shí) $P_{2}$ 先于 $P_{1}$ 執(zhí)行（這不是我們期望的順序）。此時(shí)，由于S=0，P操作后S=-1，所以 $P_{2}$ 就會執(zhí)行block原語進(jìn)行阻塞。當(dāng) $P_{1}$ 的代碼2執(zhí)行完之后，就會執(zhí)行V操作，此時(shí)S++，所以S=0，所以 $P_{1}$ 就會執(zhí)行wakeup原語，喚醒 $P_{2}$ 進(jìn)程，這樣 $P_{2}$ 就可以繼續(xù)執(zhí)行代碼4了。滿了同步
如果先執(zhí)行了V操作，那么表明此時(shí) $P_{1}$ 先于 $P_{2}$ 執(zhí)行（這正是我們期望的順序），于是S++，S=1，當(dāng) $P_{2}$ 執(zhí)行P操作時(shí)，由于S=1，也即有可用資源就會使S–，也即S=0，所以 $P_{2}$ 不會執(zhí)行block原語，而是繼續(xù)向下執(zhí)行代碼4

3.如何用信號量實(shí)現(xiàn)前驅(qū)關(guān)系

【答案】

所謂前驅(qū)關(guān)系就是要實(shí)現(xiàn)多組進(jìn)程的同步關(guān)系，如下

$P_{1}$ 中有一句代碼S1
$P_{2}$ 中有一句代碼S2
$P_{3}$ 中有一句代碼S3
$P_{4}$ 中有一句代碼S4
$P_{5}$ 中有一句代碼S5
$P_{6}$ 中有一句代碼S6

這些代碼需要按照如下前驅(qū)圖所規(guī)定的順序執(zhí)行

思想：

1：要為每一對前驅(qū)關(guān)系各設(shè)置一個(gè)同步變量
2：在必須要先執(zhí)行的操作（代碼）之后對相應(yīng)的同步變量執(zhí)行V操作
3：在必須要后執(zhí)行的操作（代碼）之前對相應(yīng)的同步變量執(zhí)行P操作

具體描述：

可用如下描述大致邏輯，有六個(gè)進(jìn)程 $P_{1}$ ~ $P_{6}$ 。

P1() {...S1;V(a);V(b);... } P2() {...P(a);S2;V(c);V(d);... } P3() {...P(b);S3;V(g);... } P4() {...P(c);S4;V(e);... } P5() {...P(d);S5;V(f);... } P6() {...P(e);P(f);P(g);S6;... }

4.用信號量解決生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題

【答案】

實(shí)現(xiàn)同步

生產(chǎn)者：將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)前需要執(zhí)行P(empty)以消耗一個(gè)空閑緩沖區(qū)；放入緩沖區(qū)之后需要執(zhí)行V(full)以增加一個(gè)產(chǎn)品數(shù)量
消費(fèi)者：從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品之前需要執(zhí)行P(full)以消耗一個(gè)產(chǎn)品；從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品之后需要執(zhí)行V(empty)以增加一個(gè)空閑緩沖區(qū)

實(shí)現(xiàn)互斥

生產(chǎn)者：將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)前需要執(zhí)行P(mutex)；放入緩沖區(qū)之后需要執(zhí)行V(mutex)
消費(fèi)者：從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品之前需要執(zhí)行P(mutex)；從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品之后V(mutex)

因此代碼如下

semaphore mutex=1;互斥信號量，實(shí)現(xiàn)對緩沖區(qū)的互斥訪問 semaphore empty=n;同步信號量，表示空閑緩沖區(qū)數(shù)量 semaphore full=0;同步信號量，表示非空閑緩沖區(qū)數(shù)量，也就是產(chǎn)品數(shù)量Producer() {while(1){//生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)p(empty);要用什么，P一下 //獲取空緩沖區(qū)p(mutex)：互斥夾緊//將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)V(mutex)：互斥夾緊V(full)：提供什么，V一下 //產(chǎn)品數(shù)量增加} }Producer() {while(1){p(full);要用什么，P一下 //獲取產(chǎn)品p(mutex)：互斥夾緊//消費(fèi)者取出產(chǎn)品V(mutex)：互斥夾緊V(empty)：提供什么，V一下 //空緩沖區(qū)增加//消費(fèi)者使用數(shù)據(jù)}}

多生產(chǎn)者多消費(fèi)者問題

【答案】

semaphore plate=1;//盤子中還可以放多少個(gè)水果 semaphore apple=0;//盤子中有幾個(gè)蘋果 semaphore orange=0;//盤子中有幾個(gè)句子dad() {while(1){準(zhǔn)備一個(gè)蘋果；P(plate);//互斥放水果向盤子中放蘋果；V(apple);//可以取蘋果 } } mom() {while(1){準(zhǔn)備一個(gè)橘子；P(plate);//互斥放水果向盤子中放橘子；V(orange);//允許取橘子 } }son() {while(1){P(orange);//互斥從盤子中取橘子取橘子V(plate);//取完歸還盤子吃橘子} }daughter() {while(1){P(apple);//互斥從盤子中取蘋果取蘋果V(plate);//取完歸還盤子吃蘋果} }

6.讀者寫者問題、

【答案】

關(guān)系分析：找出題目中描述的各個(gè)進(jìn)程，分析它們之間的同步、互斥關(guān)系

互斥關(guān)系：寫進(jìn)程與寫進(jìn)程；寫進(jìn)程與讀進(jìn)程
同步關(guān)系：桌子上有組合一/二/三時(shí)，第一/二/三個(gè)抽煙者取走東西，這是三個(gè)同步關(guān)系；還有抽煙者抽完煙之后要發(fā)出完成信號，這是第四個(gè)同步關(guān)系

整理思路：根據(jù)各進(jìn)程的操作流程確定P、V操作的大致順序

對于寫者來說，它與任何進(jìn)程都是互斥的，因此可以設(shè)置一個(gè)互斥信號量rw，在寫者訪問共享文件前后分別執(zhí)行P、V操作
對于讀者進(jìn)程，如果它也像前面那樣，那么就不符合讀者進(jìn)程可以同時(shí)訪問文件的要求了。既然各個(gè)讀進(jìn)程需要同時(shí)訪問，而讀進(jìn)程與寫進(jìn)程又必須互斥訪問，所以我們可以讓第一個(gè)訪問文件的讀進(jìn)程“加鎖”，也就是P操作，然后讓最后一個(gè)訪問完文件的讀進(jìn)程進(jìn)行解鎖，也就是V操作。所以可以設(shè)置一個(gè)整形變量count來記錄當(dāng)前有幾個(gè)讀進(jìn)程在訪問文件
對于讀進(jìn)程來說，在某一時(shí)刻多個(gè)讀進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。而我們對count變量的判斷是無法實(shí)現(xiàn)原子性操作的，所以這里count就是一種臨界資源了，需要對其進(jìn)行保護(hù)，可以設(shè)置互斥信號量mutex

設(shè)置信號量：設(shè)置需要的信號量，并根據(jù)題目條件確定信號量初值

設(shè)置信號量count為計(jì)數(shù)器，用于記錄當(dāng)前讀者的數(shù)量，初值為0；
設(shè)置mutex為互斥信號量，用于保護(hù)更新count變量時(shí)的互斥；
設(shè)置互斥信號量rw，用于保證讀者和寫者的互斥訪問

int count=0; semaphore mutex=1; semaphore rw=1;

對于寫者，在寫文件之前進(jìn)行P操作，寫完之后進(jìn)行V操作，就可以實(shí)現(xiàn)寫者與其他進(jìn)程的互斥

writer() {while(1){P(rw);//寫之前加鎖寫文件;V(rw);//寫之后解鎖} }

對于讀者，第一個(gè)讀者進(jìn)入會加鎖，最后一個(gè)讀者退出時(shí)進(jìn)行解鎖

reader() {while(1){P(mutex);//使用P操作保護(hù)count，防止多個(gè)讀進(jìn)程對臨界資源的操作if(count==0)P(rw);//第一個(gè)讀進(jìn)程count++;V(mutex);讀文件;P(mutex);count--;if(count==0)V(rw);//最后一個(gè)讀進(jìn)程V(mutex);} }

但是上面代碼還存在一個(gè)bug：讀進(jìn)程是優(yōu)先，只要有讀進(jìn)程在讀，寫進(jìn)程就會一直被阻塞，寫進(jìn)程餓死。

所以如果希望寫進(jìn)程優(yōu)先，也就是說當(dāng)有讀進(jìn)程在讀時(shí)，若有寫進(jìn)程請求訪問，那么應(yīng)該禁止后續(xù)讀進(jìn)程請求，等到本次讀進(jìn)程完畢之后，立即讓寫進(jìn)程執(zhí)行，只有在無寫進(jìn)程的情況下才允許讀進(jìn)程再次運(yùn)行。因此可以再增設(shè)一個(gè)信號量w，用于實(shí)現(xiàn)寫優(yōu)先

int count=0; semaphore mutex=1; semaphore rw=1; semaphore w=1;//用于實(shí)現(xiàn)寫優(yōu)先writer() {while(1){P(w);P(rw);//寫之前加鎖寫文件;V(rw);//寫之后解鎖V(w);} }reader() {while(1){p(w);//在無寫進(jìn)程的情況下進(jìn)入P(mutex);//使用P操作保護(hù)count，防止多個(gè)讀進(jìn)程對臨界資源的操作if(count==0)P(rw);//第一個(gè)讀進(jìn)程count++;V(mutex);V(w);寫文件;P(mutex);count--;if(count==0)V(rw);//最后一個(gè)讀進(jìn)程V(mutex);} }

7.吸煙者問題（單生產(chǎn)者多消費(fèi)者問題）

【答案】

semaphore offer1=0;//組合一的數(shù)量 semaphore offer2=0;//組合二的數(shù)量 semaphore offer3=0;//組合三的數(shù)量 semaphore finish=0;//抽煙是否完成 int i=0;//用于實(shí)現(xiàn)輪流抽煙

對于生產(chǎn)者，其內(nèi)部進(jìn)行邏輯判斷，利用取余的方式輪流放置組合一、二和三，放置完成之后如果消費(fèi)者不執(zhí)行V(finish)，它將會在P(finish)處被阻塞

provider {while(1){if(i==0){組合一放桌子上V(offer1);}else if(i==1){組合二放桌子上V(offer2);}else if(i==2){組合三放桌子上V(offer3);}i=(i+1)%3;P(finish);} }

對于這三個(gè)消費(fèi)者，他們各自在進(jìn)入時(shí)首先會檢查是否有自己的組合，如果沒有將會被阻塞，如果有，執(zhí)行完畢之后使用V(finish)通知生產(chǎn)者生產(chǎn)

smoker1() {while(1){P(Offer1);一系列卷煙、抽煙操作、拿走組合一V(finish);} } smoker2() {while(1){P(Offer2);一系列卷煙、抽煙操作、拿走組合二V(finish);} }smoker3() {while(1){P(Offer3);一系列卷煙、抽煙操作、拿走組合三V(finish);} }

8.哲學(xué)家進(jìn)餐問題

【答案】

semaphore chopsticks[5]={1,1,1,1,1}; semaphore mutex=1;//取筷子信號量 P i()//i號哲學(xué)家進(jìn)程 {while(1){P(mutex)：P(chopsticks[i]);//拿左P(chopsticks[i+1]%5);//拿右V(mutex);吃飯V(chopsticks[i]);//拿左V(chopsticks[i+1]%5);//拿右思考}}

【答案】

（1）解:在汽車行駛過程中,司機(jī)活動與售票員活動之間的同步關(guān)系為：售票員關(guān)車門后，向司機(jī)發(fā)開車信號,司機(jī)接到開車信號后啟動車輛,在汽車正常行駛過程中售票員售票,到站時(shí)司機(jī)停車,售票員在車停后開車門讓乘客.上下車。因此司機(jī)啟動車輛的動作必須與售票員關(guān)車門的動作取得同步；售票員開車門的動作也必須與司機(jī)停車取得同步

int s1=0;//表示是否允許司機(jī)啟動車輛 int s2=0;//表示是否允許售票員開門driver() {P(S1);啟動車輛正常行車到站停車V(S2); }Conductor() {關(guān)車門V(S1)售票 P(S2);開車門}

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的（操作系统题目题型总结）第三章：同步与互斥的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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