经典同步问题

进程同步互斥

重点 生产者 - 消费者问题

问题描述

• 生产者：生产数据放入缓冲区
• 消费者：从缓冲区取数据消费
• 同步关系：缓冲区满则生产者等待，缓冲区空则消费者等待
• 互斥关系：对缓冲区的互斥访问

PV 解决方案（3 个信号量）

semaphore mutex = 1;   // 保护缓冲区互斥访问
semaphore empty = N;   // 空缓冲区数量
semaphore full  = 0;   // 满缓冲区数量
 
// 生产者
while (true) {
  produce(data);
  P(empty);       // 先申请空缓冲区（资源信号量）
  P(mutex);       // 再申请互斥访问
    put(data);
  V(mutex);
  V(full);        // 满缓冲区 +1
}
 
// 消费者
while (true) {
  P(full);
  P(mutex);
    get(data);
  V(mutex);
  V(empty);
  consume(data);
}

P 操作顺序

• 必须先 P(资源信号量)，再 P(互斥信号量)
• 如果顺序颠倒（先 P(mutex) 再 P(empty)），满缓冲区时生产者持有 mutex 阻塞，消费者无法进入，形成死锁

重点 读者 - 写者问题

读者优先

• 多个读者可同时读
• 写者必须独占访问，且只能等所有读者完成
• 使用 readcount 统计读者数，mutex 保护 readcount，wrt 实现写者互斥

semaphore mutex = 1;
semaphore wrt = 1;
int readcount = 0;
 
// 读者
P(mutex);
  readcount++;
  if (readcount == 1) P(wrt);  // 第一个读者锁住写者
V(mutex);
  read;
P(mutex);
  readcount--;
  if (readcount == 0) V(wrt);  // 最后一个读者释放写者
V(mutex);
 
// 写者
P(wrt);
  write;
V(wrt);

写者优先

• 当有写者等待时，新读者不能开始读
• 需额外的信号量 read 来阻塞新读者

重点 哲学家就餐问题

问题描述

• 5 个哲学家围坐，5 支筷子交替放置
• 每个哲学家需要两支筷子才能进餐
• 死锁风险：所有哲学家同时拿起左边筷子，导致循环等待

解决方案

1. 限制并发人数：最多只允许 4 个哲学家同时就餐（信号量 limit = 4）
2. 奇偶拿筷：奇数号先取左边筷子，偶数号先取右边筷子，打破循环等待
3. AND 信号量：同时申请两支筷子（一次 P 操作获取全部所需资源）

重点 管程（Monitor）

• 将共享数据和对该数据的操作封装在一起
• 类似 OOP 中的类：共享变量 + 方法 + 条件变量
• 同一时间只有一个进程能进入管程，自动保证互斥
• 使用条件变量（Condition Variable）实现同步

信号量解决思路总结

• 互斥信号量 $mutex$ 保护临界区
• 资源信号量 $empty/full$ 表示缓冲区状态
• 同步信号量协调执行顺序