面试题：进程管理：深入分析进程状态转换中的资源竞争与同步问题

Question

在多进程系统中，进程状态转换可能会因为资源竞争而导致同步问题。请分析在进程从运行态转换到阻塞态等待 I/O 资源，以及从阻塞态转换到就绪态获取到 I/O 资源后，可能会出现哪些资源竞争和同步问题？你会如何设计机制来解决这些问题？

Answer 1

资源竞争和同步问题分析

1. 运行态转阻塞态等待I/O资源
   • 资源竞争：多个进程可能同时请求相同的I/O设备资源，导致设备资源的竞争。例如，多个进程同时尝试向磁盘写入数据，会造成磁盘I/O资源的争夺。
   • 同步问题：进程在等待I/O资源时，若没有适当的同步机制，可能出现数据不一致的情况。比如，在多线程协作处理I/O相关数据时，一个线程可能在数据未完全准备好时就开始操作，因为没有等待I/O完成的同步信号。
2. 阻塞态转就绪态获取到I/O资源后
   • 资源竞争：获取到I/O资源的进程进入就绪态后，可能与其他就绪态进程竞争CPU资源。当CPU资源有限时，多个进程都希望尽快得到CPU执行，从而产生竞争。
   • 同步问题：在获取I/O资源后，进程可能需要与其他进程或线程进行数据交互和同步。例如，一个进程从磁盘读取数据后，需要与其他进程共享这些数据，若同步机制不完善，可能导致数据访问冲突。

解决机制设计

1. I/O资源分配机制
   • 使用设备分配表：操作系统维护一个设备分配表，记录每个I/O设备的使用状态。当进程请求I/O资源时，操作系统根据设备分配表判断设备是否可用。若可用，则分配给请求进程，并标记为已使用；若不可用，则将进程放入等待队列。
   • 优先级调度：对于I/O资源请求，根据进程的优先级进行调度。例如，对于实时性要求高的进程，优先分配I/O资源，以确保其任务的及时完成。
2. 同步机制
   • 信号量：使用信号量来控制对共享资源（如I/O缓冲区）的访问。当进程等待I/O资源时，获取一个信号量（若信号量值为0，则等待），在完成I/O操作后释放信号量，通知其他进程可以访问相关资源。
   • 互斥锁：在多线程环境下，对于共享数据的访问，使用互斥锁进行保护。当一个线程要访问共享数据时，先获取互斥锁，访问结束后释放互斥锁，防止其他线程同时访问造成数据不一致。
3. CPU调度机制
   • 采用合适的调度算法：例如使用多级反馈队列调度算法。对于刚从阻塞态转换到就绪态的进程，可以根据其I/O操作的特性，放入合适的优先级队列中。若I/O操作频繁，则将其放入较高优先级队列，以尽快得到CPU执行，提高系统整体I/O效率。