面试题：并发与同步：操作系统计数器在复杂同步场景中的应用

Question

在一个多进程的并发系统中，进程之间需要通过共享内存进行数据交互，同时要保证数据的一致性和同步性。已知可以使用操作系统计数器来辅助实现同步机制。如果有多个进程可能同时读取和写入共享内存区域，并且读操作可以并发执行，但写操作必须独占。请设计一个基于操作系统计数器的同步方案，详细说明计数器的状态转换、各进程对计数器的操作逻辑以及如何处理读写冲突。

Answer 1

计数器状态转换

1. 初始状态：计数器初始值设为0，代表没有进程在进行写操作，且没有进程在等待写操作。
2. 读操作状态：当有进程进行读操作时，计数器的值加1，表示有读进程正在访问共享内存。读操作并发执行，每增加一个读进程，计数器加1 。
3. 写操作状态：当有进程请求写操作时，先检查计数器的值。若为0，直接将计数器设为 -1，表示正在进行写操作；若不为0，说明有读进程正在访问，写进程等待。当写操作完成，计数器设回0 。

各进程对计数器的操作逻辑

1. 读进程：
   • 进入读操作前，先原子性地增加计数器的值。
   • 完成读操作后，原子性地减少计数器的值。
2. 写进程：
   • 进入写操作前，检查计数器的值。若为0，原子性地将计数器设为 -1 。若不为0，进入等待状态，直到计数器变为0 。
   • 完成写操作后，原子性地将计数器设为0 。

处理读写冲突

1. 读 - 写冲突：
   • 写进程检查到计数器不为0（即有读进程正在访问共享内存）时，等待。读进程不会因写进程等待而受影响，继续并发执行读操作。只有当所有读进程完成读操作，计数器变为0时，写进程才能将计数器设为 -1 开始写操作。
2. 写 - 写冲突：
   • 由于写操作开始前会将计数器设为 -1 ，其他写进程检查计数器为 -1 时，会等待，从而保证写操作的独占性。