面试题：并发与同步之进程同步机制

Question

请简述操作系统中常用的进程同步机制有哪些，并说明信号量与互斥锁在实现进程同步时的异同点。

Answer 1

操作系统中常用的进程同步机制

1. 互斥锁（Mutex）：一种特殊的二元信号量，取值只能是 0 或 1。用于保证在同一时刻只有一个进程能够访问临界区，就像一把锁，获取锁（值为 1 变为 0）的进程可以进入临界区，释放锁（值从 0 变为 1）后其他进程才有机会获取。
2. 信号量（Semaphore）：一个整型变量加上一个等待队列，通过计数器的值来控制对共享资源的访问。计数器大于 0 时，进程可以获取信号量（计数器减 1）从而访问资源，计数器为 0 时，进程进入等待队列。适用于控制多个进程对多个共享资源的访问。
3. 条件变量（Condition Variable）：通常和互斥锁配合使用。互斥锁用于保护共享数据，而条件变量用于线程在某些条件满足时才进行特定操作。例如，当缓冲区有数据时，等待在条件变量上的线程被唤醒去处理数据。
4. 管程（Monitor）：是一种高级同步机制，它将共享变量和对这些变量的操作封装在一起，提供了一种更方便、更安全的方式来实现进程同步。管程中的操作是互斥执行的，外部进程只能通过管程提供的接口来访问共享变量。

信号量与互斥锁在实现进程同步时的异同点

1. 相同点
   • 目的相同：两者都是用于实现进程同步，保证多个进程在访问共享资源时不会产生竞争条件，确保数据的一致性和正确性。
   • 都基于计数器：从原理上看，互斥锁可看作特殊的二元信号量，本质上都是通过一个计数器（二元信号量计数器取值 0 或 1，一般信号量计数器可以是任意非负整数）来控制对共享资源的访问。
2. 不同点
   • 取值范围：互斥锁的值只能是 0 或 1，而信号量的值可以是任意非负整数。这使得信号量可以控制多个进程对多个共享资源的访问，而互斥锁只能保证一个进程进入临界区，适用于单个共享资源的互斥访问。
   • 功能特性：互斥锁主要用于实现进程间对临界区的互斥访问，强调同一时刻只有一个进程能进入临界区。信号量功能更丰富，除了实现互斥访问，还可用于实现进程间的同步，比如控制并发访问的进程数量等。
   • 使用场景：如果只有一个共享资源且要求严格的互斥访问，使用互斥锁更简单直接。如果有多个共享资源，或者需要控制并发访问的数量等复杂场景，信号量更合适。