面试题：并发与同步：锁机制在操作系统中的常见应用场景有哪些

Question

请阐述锁机制在操作系统的进程管理、资源分配等方面的常见应用场景，并说明为什么在这些场景下需要使用锁机制。

Answer 1

进程管理方面

1. 临界区访问
   • 应用场景：多个进程可能需要访问共享资源，如共享内存区域。例如，一个打印队列，多个进程都可能要向该队列中添加打印任务。
   • 为何使用锁机制：若没有锁机制，多个进程同时访问和修改共享资源，会导致数据不一致问题。比如两个进程同时向打印队列添加任务，可能造成任务顺序混乱或数据丢失。锁可以保证同一时间只有一个进程能进入临界区（访问共享资源的代码段），避免这种冲突。
2. 进程同步
   • 应用场景：生产者 - 消费者模型。生产者进程不断生成数据放入缓冲区，消费者进程从缓冲区取出数据。
   • 为何使用锁机制：防止生产者在缓冲区已满时仍继续写入，或消费者在缓冲区为空时读取。通过锁机制，生产者在写入前获取锁，若缓冲区满则等待；消费者读取前获取锁，若缓冲区空则等待，从而实现进程间的同步协作。

资源分配方面

1. 共享设备访问
   • 应用场景：多个进程竞争使用打印机、磁盘等共享设备。例如，多个进程都请求打印文档。
   • 为何使用锁机制：避免多个进程同时向共享设备发送指令，导致设备工作异常。只有获取锁的进程才能使用设备，其他进程等待，确保设备操作的顺序性和正确性。
2. 内存分配
   • 应用场景：在多进程系统中，操作系统需要为各个进程分配内存空间。当多个进程同时请求内存时。
   • 为何使用锁机制：防止内存分配数据结构被多个进程同时修改而出现错误。比如，若两个进程同时申请内存，且操作系统的内存分配表被同时修改，可能导致内存分配混乱，通过锁来保证内存分配操作的原子性，使内存分配有序进行。