面试题：进程管理之高级难度：复杂场景下的进程同步与互斥问题

Question

假设有一个多进程的文件系统操作场景，多个进程可能同时对文件进行读写操作，要求保证读操作之间可以并发执行，但写操作必须独占，且写操作执行时不能有读操作。请设计一套基于管程（Monitor）的解决方案来实现这个进程同步与互斥需求，并说明设计思路和关键代码逻辑。

Answer 1

设计思路

1. 管程定义：管程是一个包含共享数据和对这些数据进行操作的过程集合的模块。它提供了一种机制，使得在同一时间只有一个进程能够进入管程执行其中的过程，从而实现对共享资源的互斥访问。
2. 共享数据：定义一个表示文件状态的变量，例如fileStatus，用于标识当前文件是处于读状态、写状态还是空闲状态。同时定义一个计数变量readCount，用于记录当前正在进行读操作的进程数量。
3. 条件变量：创建两个条件变量，writeCond用于写操作等待，readCond用于读操作等待。当写操作需要等待读操作完成时，写进程在writeCond上等待；当读操作需要等待写操作完成时，读进程在readCond上等待。

关键代码逻辑（以伪代码示例）

Monitor FileSystemMonitor {
    // 共享数据
    enum {IDLE, READING, WRITING} fileStatus = IDLE; 
    int readCount = 0; 
    // 条件变量
    condition writeCond; 
    condition readCond; 

    // 读操作过程
    procedure Read() {
        enter Monitor; 
        while (fileStatus == WRITING) {
            wait(readCond); 
        }
        readCount++; 
        fileStatus = READING; 
        leave Monitor; 

        // 实际读文件操作

        enter Monitor; 
        readCount--; 
        if (readCount == 0) {
            fileStatus = IDLE; 
            signal(writeCond); 
        }
        leave Monitor; 
    }

    // 写操作过程
    procedure Write() {
        enter Monitor; 
        while (fileStatus != IDLE) {
            wait(writeCond); 
        }
        fileStatus = WRITING; 
        leave Monitor; 

        // 实际写文件操作

        enter Monitor; 
        fileStatus = IDLE; 
        signal(readCond); 
        leave Monitor; 
    }
}

在实际应用中，不同编程语言对于管程的实现方式不同，例如在Java中可以使用synchronized关键字和wait()、notify()等方法来模拟管程机制。但上述伪代码体现了基于管程实现文件系统操作同步与互斥的核心逻辑。读操作通过增加readCount来共享文件访问，写操作则独占文件直到完成。条件变量用于进程间的等待与唤醒，以确保读写操作按照需求的并发与互斥规则执行。