面试题：并发与同步之中等难度：进程与线程同步机制的对比

Question

请阐述进程间常用的同步机制（如信号量、消息队列等）与线程间常用同步机制（如互斥锁、条件变量等）的异同点，并举例说明在实际应用场景中如何选择合适的同步机制。

Answer 1

相同点

1. 目的相同：都是为了协调多个执行单元（进程或线程）对共享资源的访问，避免数据竞争和不一致问题，确保程序的正确性。
2. 解决竞争问题：都致力于解决并发访问共享资源时可能出现的竞争条件，保证同一时刻只有一个执行单元能够访问临界区（共享资源）。

不同点

1. 适用范围
   • 进程间同步机制：适用于不同进程之间的同步，进程具有独立的地址空间，这些机制需要在不同进程地址空间之间进行协调。例如信号量，可用于不同进程对系统资源（如共享内存段）的访问控制。
   • 线程间同步机制：用于同一进程内不同线程之间的同步，线程共享进程的地址空间，同步机制操作相对简单，因为线程访问共享资源无需跨越地址空间。如互斥锁，常用于线程对进程内共享变量的保护。
2. 实现复杂度
   • 进程间同步机制：实现相对复杂，因为要考虑进程间通信（IPC）和不同地址空间的协调。例如消息队列，不仅要实现消息的传递，还要处理进程间的同步逻辑。
   • 线程间同步机制：实现相对简单，由于线程共享地址空间，操作共享资源更直接。例如条件变量，基于线程共享的全局变量进行等待和唤醒操作。
3. 性能开销
   • 进程间同步机制：一般性能开销较大，涉及进程间通信和系统调用，如信号量操作需要内核参与，会产生一定的系统开销。
   • 线程间同步机制：性能开销相对较小，操作主要在用户空间进行，如互斥锁的加锁和解锁操作通常是轻量级的。

实际应用场景及选择

1. 进程间同步机制的应用场景及选择
   • 共享资源跨进程访问：如多个进程共享一块内存区域来进行数据交换，此时可选择信号量来控制对共享内存的访问。例如，在数据库管理系统中，多个进程可能需要访问共享的缓冲区，信号量可确保同一时间只有一个进程能对缓冲区进行写操作，避免数据冲突。
   • 进程间消息传递与同步：消息队列适用于进程间有大量数据传递且需要同步的场景。比如，一个图像处理系统中，一个进程负责图像采集，将采集到的图像数据通过消息队列发送给其他进程进行处理，消息队列既实现了数据传递，又能保证接收进程按顺序处理消息。
2. 线程间同步机制的应用场景及选择
   • 保护进程内共享变量：当多个线程需要访问和修改进程内的共享变量时，互斥锁是常用选择。例如在多线程的 Web 服务器中，多个线程可能同时访问一个全局的用户连接数统计变量，使用互斥锁可保证该变量的读写操作正确。
   • 线程间条件等待：条件变量常用于线程需要等待某个条件满足后再继续执行的场景。例如，在一个生产者 - 消费者模型中，消费者线程在缓冲区为空时，通过条件变量等待生产者线程向缓冲区写入数据，当缓冲区有数据时，生产者线程唤醒消费者线程。