面试题：复杂场景下进程管理的信号量优化

Question

在一个多进程并发访问共享资源的系统中，存在多个读进程和写进程。读进程可以同时读取共享资源，但写进程在写入时不允许其他进程（读或写）访问。请设计并描述如何利用信号量机制来实现这种复杂的进程同步，同时分析可能出现的问题及解决方案。

Answer 1

信号量设计

1. 定义信号量：
   • 定义一个互斥信号量 mutex，初值为1，用于保护对共享资源访问计数变量的修改，以避免竞争条件。
   • 定义一个信号量 wrt，初值为1，用于控制写进程对共享资源的访问，保证同一时间只有一个写进程可以写入。
   • 定义一个整型变量 readcount，初值为0，用于记录当前正在读取共享资源的读进程数量。
2. 读进程操作：

// 伪代码表示读进程
void reader() {
    while (1) {
        sem_wait(&mutex);
        readcount++;
        if (readcount == 1) {
            sem_wait(&wrt);
        }
        sem_post(&mutex);
        // 执行读操作
        // 读操作完成
        sem_wait(&mutex);
        readcount--;
        if (readcount == 0) {
            sem_post(&wrt);
        }
        sem_post(&mutex);
    }
}

• 读进程首先获取 mutex 信号量，以安全地修改 readcount。
• 如果 readcount 变为1，说明当前读进程是第一个读进程，需要获取 wrt 信号量，防止写进程写入。
• 释放 mutex 信号量后进行读操作。
• 读操作完成后，再次获取 mutex 信号量，减少 readcount。
• 如果 readcount 变为0，说明没有读进程在读取，释放 wrt 信号量，允许写进程写入。

3. 写进程操作：

// 伪代码表示写进程
void writer() {
    while (1) {
        sem_wait(&wrt);
        // 执行写操作
        // 写操作完成
        sem_post(&wrt);
    }
}

• 写进程在写入前获取 wrt 信号量，保证在写入时没有其他进程（读或写）访问共享资源。
• 写操作完成后释放 wrt 信号量。

可能出现的问题及解决方案

1. 写进程饥饿问题：
   • 问题描述：如果读进程频繁到来，可能导致写进程长时间无法获取 wrt 信号量，从而出现饥饿现象。
   • 解决方案：可以采用公平调度算法，例如在获取信号量的逻辑中增加排队机制，确保写进程有机会获取信号量。比如可以使用一个队列记录请求访问共享资源的进程，按照先来先服务的原则进行调度。
2. 死锁问题：
   • 问题描述：如果信号量操作顺序不当，可能导致死锁。例如，读进程在获取 mutex 后，由于某种原因阻塞，且未释放 mutex，同时写进程试图获取 wrt，而 wrt 被读进程第一个读操作获取后未释放，就会导致死锁。
   • 解决方案：确保信号量的获取和释放遵循正确的顺序，并且对进程阻塞的情况进行合理处理，例如设置超时机制，如果进程在一定时间内无法获取信号量，则释放已获取的信号量并重新尝试。同时，对信号量操作的代码进行严格的检查和测试，避免逻辑错误。