面试题：操作系统并发与同步之常见同步场景特点

Question

请阐述生产者 - 消费者问题、读者 - 写者问题这两种常见操作系统同步场景的特点，并说明在解决这些问题时，通常会用到哪些同步机制？

Answer 1

生产者 - 消费者问题特点

1. 数据共享：生产者和消费者共享一个缓冲区，生产者向缓冲区写入数据，消费者从缓冲区读取数据。
2. 同步需求：生产者不能在缓冲区满时继续写入，否则会导致数据丢失；消费者不能在缓冲区空时读取，否则会读到无效数据。
3. 并发操作：生产者和消费者可能并发执行，需要协调操作顺序。

读者 - 写者问题特点

1. 读写特性：允许多个读者同时读取数据，因为读操作不会修改数据，不会产生数据不一致问题。但只允许一个写者进行写操作，因为写操作会修改数据，多个写者或读写同时进行会导致数据不一致。
2. 优先级问题：存在读者优先和写者优先的不同策略。读者优先时，只要有读者在读取，写者就会被阻塞；写者优先时，一旦有写者准备写入，后续读者会被阻塞，直到写者完成操作。

解决生产者 - 消费者问题常用同步机制

1. 互斥锁：用于保护共享缓冲区，确保同一时间只有一个进程（生产者或消费者）能访问缓冲区，防止数据竞争。
2. 信号量：
   • empty 信号量：表示缓冲区中的空闲槽位数量，初始值为缓冲区大小。生产者在向缓冲区写入数据前，需要获取一个 empty 信号量（如果 empty 为 0 则等待），写入后释放一个 full 信号量。
   • full 信号量：表示缓冲区中的已占用槽位数量，初始值为 0。消费者在从缓冲区读取数据前，需要获取一个 full 信号量（如果 full 为 0 则等待），读取后释放一个 empty 信号量。

解决读者 - 写者问题常用同步机制

1. 互斥锁：
   • 用于写操作：保护共享数据，确保同一时间只有一个写者能对数据进行写入操作。写者在写入前获取互斥锁，写入完成后释放。
   • 用于读者计数：保护读者计数器（记录当前正在读取的读者数量），防止多个读者同时修改计数器导致数据不一致。读者在修改计数器前获取互斥锁，修改完成后释放。
2. 信号量：
   • 读信号量：用于控制读者的并发访问。当有读者请求读取时，获取读信号量（如果读信号量为 0 则等待），读取完成后释放读信号量。
   • 写信号量：用于控制写者的访问。写者在写入前获取写信号量（如果写信号量为 0 则等待），写入完成后释放写信号量。