面试题：操作系统并发与同步之复杂场景分析

Question

假设在一个多线程的文件系统操作场景中，多个线程可能同时对文件进行读取、写入和删除操作。请设计一个同步策略，确保文件操作的正确性和高效性，详细说明所选用的同步原语以及它们的使用方式和理由。

Answer 1

选用的同步原语

1. 互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源（文件），确保同一时间只有一个线程能对文件进行操作。
2. 条件变量（Condition Variable）：当某些条件满足时，用于线程间的通知与唤醒。

使用方式

1. 互斥锁的使用：
   • 在每个文件操作函数（读取、写入、删除）的入口处加锁，在函数结束处解锁。例如，在C++中使用std::mutex：

std::mutex fileMutex;
void readFile() {
    fileMutex.lock();
    // 执行文件读取操作
    fileMutex.unlock();
}
void writeFile() {
    fileMutex.lock();
    // 执行文件写入操作
    fileMutex.unlock();
}
void deleteFile() {
    fileMutex.lock();
    // 执行文件删除操作
    fileMutex.unlock();
}

2. 条件变量的使用：
   • 假设存在一个场景，当文件被写入完成后，需要通知其他等待读取该文件的线程。首先定义一个条件变量和一个用于判断文件是否写入完成的标志位。

std::condition_variable fileWriteCV;
std::mutex cvMutex;
bool fileWritten = false;

void writeFile() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(fileMutex);
    // 执行文件写入操作
    fileWritten = true;
    lock.unlock();
    fileWriteCV.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}

void readFile() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(cvMutex);
    fileWriteCV.wait(lock, []{ return fileWritten; });
    std::unique_lock<std::mutex> fileLock(fileMutex);
    // 执行文件读取操作
}

理由

1. 互斥锁：能简单有效地防止多个线程同时访问文件，避免数据竞争，保证文件操作的原子性，从而确保文件操作的正确性。
2. 条件变量：在需要线程间协作的场景下，如文件写入完成后通知读取线程，条件变量可以让线程在条件不满足时进入等待状态，减少不必要的CPU消耗，提高系统的整体效率。同时结合互斥锁，确保条件变量相关操作的线程安全。