面试题：进程管理之进程间资源竞争的常见场景及解决策略

Question

请举例说明进程间资源竞争可能出现的常见场景，并且阐述至少两种解决进程间资源竞争的策略，比如锁机制等，并简要说明每种策略的优缺点。

Answer 1

进程间资源竞争常见场景

1. 文件资源竞争：多个进程同时尝试读写同一个文件。例如，进程A在向文件写入数据时，进程B也尝试读取或写入该文件，可能导致数据不一致，比如进程B读取到不完整的数据，或者进程A和B写入的数据相互覆盖。
2. 共享内存竞争：多个进程共享一块内存区域。若进程A正在修改共享内存中的数据结构，此时进程B也同时访问该结构，可能导致数据错误，比如破坏数据结构的完整性。

解决进程间资源竞争的策略

1. 锁机制
   • 优点：实现相对简单，能够有效防止多个进程同时访问共享资源，保证数据的一致性。例如，使用互斥锁，当一个进程获取锁后，其他进程就无法再获取，直到该进程释放锁。
   • 缺点：可能导致死锁，比如进程A持有锁1等待锁2，而进程B持有锁2等待锁1，就会陷入死循环。并且如果锁的粒度设置不当，可能会影响系统性能，比如一个大的锁会导致很多不必要的等待。
2. 信号量机制
   • 优点：可以允许多个进程同时访问共享资源，只要信号量的值大于0。相比于互斥锁（相当于值为1的信号量），在某些需要并发访问的场景下更灵活，能提高资源利用率。例如，对于一个有多个访问名额的共享资源，可以通过设置信号量初始值为名额数量来控制并发访问。
   • 缺点：实现相对复杂一些，需要对信号量的取值和操作进行精确控制。同样可能出现死锁问题，如果对信号量的获取和释放顺序不当。
3. 消息队列
   • 优点：进程间通过消息队列进行通信，避免了直接对共享资源的竞争。每个进程将请求或数据以消息的形式发送到队列中，接收方按顺序处理，降低了竞争的可能性。而且消息队列具有一定的异步性，不会因为某个进程的阻塞而影响其他进程。
   • 缺点：通信存在一定的延迟，因为消息需要在队列中排队等待处理。并且消息队列的容量有限，如果处理速度跟不上发送速度，可能导致消息丢失或队列溢出。