面试题：进程管理中复杂场景下信号量同步优化

Question

在一个多进程的文件读写系统中，有多个读进程和多个写进程。要求同一时间只能有一个写进程进行写操作，但是可以有多个读进程同时读操作。写进程完成写操作后，需要通知所有读进程数据已更新。请利用信号量设计一种高效的进程同步机制，说明信号量的种类、初值设定以及各进程的操作流程，并分析可能出现的问题及解决方案。

Answer 1

信号量种类及初值设定

1. 互斥信号量 mutex：用于保护共享资源（如文件相关操作），初值设为 1。
2. 写信号量 writeSem：控制写进程的互斥访问，初值设为 1，保证同一时间只有一个写进程能进行写操作。
3. 读信号量 readSem：用于协调读进程，初值设为 0，写进程完成写操作后通过这个信号量通知读进程数据更新。

各进程操作流程

1. 读进程：

   // 伪代码示例
   while(1) {
       sem_wait(&mutex);
       // 读进程数量加一（可实现为共享变量并在临界区内操作）
       sem_post(&mutex);
       sem_wait(&readSem); // 等待写进程通知数据更新
       // 执行读操作
       sem_wait(&mutex);
       // 读进程数量减一（可实现为共享变量并在临界区内操作）
       sem_post(&mutex);
   }
   

2. 写进程：

   // 伪代码示例
   while(1) {
       sem_wait(&writeSem); // 申请写权限
       sem_wait(&mutex);
       // 执行写操作
       sem_post(&mutex);
       // 通知所有读进程数据已更新
       // 可以通过遍历读进程数量共享变量，多次 sem_post(&readSem)，或采用广播机制
       sem_post(&writeSem);
   }
   

可能出现的问题及解决方案

1. 饥饿问题：写进程频繁执行可能导致读进程长时间等待。
   • 解决方案：可以引入公平调度算法，如时间片轮转，对读写进程进行合理调度，确保读进程有机会执行。
2. 死锁问题：如果信号量操作顺序不当，可能导致死锁。例如，读进程先获取 readSem 再获取 mutex，写进程先获取 mutex 再获取 writeSem，当读进程获取 readSem 后，写进程获取 mutex，此时双方都等待对方持有的信号量，就会发生死锁。
   • 解决方案：规定所有进程获取信号量的顺序一致，如先获取 mutex，再获取其他信号量。
3. 数据一致性问题：在读写操作交替频繁时，可能出现读进程读到部分更新的数据。
   • 解决方案：在写进程写操作前，先设置一个标志位表示数据正在更新，读进程读取数据前先检查这个标志位，若数据正在更新则等待，直到写操作完成并清除标志位。