面试题：进程管理之中等难度：进程同步与互斥机制的实现

1. 信号量机制实现进程同步与互斥原理

同步：通过信号量来协调进程的执行顺序，使得进程按照预定的顺序依次执行特定的操作。例如，进程 A 需要在进程 B 完成某个操作后才能继续执行，就可以利用信号量来实现这种同步关系。
互斥：信号量可被视为一种特殊的二元信号量（取值为 0 或 1），也叫互斥锁。它用于保证在同一时刻只有一个进程能够进入临界区（共享资源访问区域），从而避免多个进程同时访问共享资源导致的数据不一致等问题。

2. 信号量取值变化及对应进程行为举例

假设我们有两个进程 P1 和 P2 共享一个资源，使用信号量 S 来实现互斥访问。信号量 S 的初始值设为 1。

P1 尝试进入临界区：
- P1 执行 wait(S) 操作，此时 S 的值减 1，变为 0。这表示 P1 成功获取到信号量，进入临界区开始访问共享资源。
P2 尝试进入临界区：
- P2 执行 wait(S) 操作，由于 S 当前值为 0，再减 1 会小于 0，P2 会被阻塞，放入与信号量 S 相关的等待队列中，等待信号量的值变为可获取状态。
P1 离开临界区：
- P1 执行 signal(S) 操作，S 的值加 1，变为 1。这意味着 P1 释放了信号量，同时系统会从等待队列中唤醒一个进程（假设唤醒 P2）。
P2 被唤醒后进入临界区：
- 被唤醒的 P2 再次执行 wait(S) 操作，S 的值减 1 变为 0，P2 成功进入临界区访问共享资源。

代码示例（以 C 语言结合 POSIX 信号量为例）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

sem_t mutex;
int shared_variable = 0;

void* increment(void* arg) {
    sem_wait(&mutex);
    shared_variable++;
    printf("Incrementing: %d\n", shared_variable);
    sem_post(&mutex);
    return NULL;
}

void* decrement(void* arg) {
    sem_wait(&mutex);
    shared_variable--;
    printf("Decrementing: %d\n", shared_variable);
    sem_post(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;

    sem_init(&mutex, 0, 1);

    pthread_create(&tid1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, decrement, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    sem_destroy(&mutex);
    return 0;
}

在上述代码中，sem_t mutex 定义了一个信号量，初始值为 1。sem_wait(&mutex) 相当于 wait(S) 操作，sem_post(&mutex) 相当于 signal(S) 操作。两个线程 increment 和 decrement 通过这个信号量实现对共享变量 shared_variable 的互斥访问。

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1. 信号量机制实现进程同步与互斥原理

2. 信号量取值变化及对应进程行为举例