进程协作与信号量机制：临界区与P/V操作应用解析

"第二章作业3参考答案1" 在计算机操作系统中，进程间的协作与通信是至关重要的。本章节主要探讨了两个核心概念：临界资源与临界区，以及如何通过信号量机制来实现进程的互斥和同步。 1. 临界资源与临界区： - 临界资源是指同一时刻只能被一个进程访问的资源，例如打印机、共享内存等。为了确保资源不被多个进程同时访问，操作系统引入了临界区的概念。 - 临界区是指进程中访问临界资源的那段代码。为确保资源安全，临界区的使用遵循四个基本原则： - 空闲让进：如果临界区为空闲状态，那么有进程请求时应立即允许进入。 - 忙则等待：当已有进程在临界区内时，其他试图进入的进程必须等待。 - 有限等待：每个进程必须在有限时间内有机会进入临界区，防止死锁的发生。 - 让权等待：如果进程无法进入临界区，应主动释放CPU，避免进程无休止地检查。 2. 信号量及其作用： - 信号量是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。它是一个特殊的变量，可以由进程改变，用于协调进程间的关系。 - 信号量包含一个整数值（表示资源的可用数量）和一个等待队列（存储因资源不足而被阻塞的进程）。当信号量的值为正时，表示有资源可用；为负时，表示资源已被全部占用，绝对值表示等待的进程数量。 - 信号量操作包括P（wait）操作和V（signal）操作： - P操作：尝试获取一个资源，如果信号量值大于0，减1并继续执行；如果值为0，进程被阻塞并加入等待队列。 - V操作：释放一个资源，将信号量值加1。如果之前有进程因信号量为0被阻塞，此操作可能唤醒一个进程，将其移至就绪队列。 3. P、V操作实例： - 在公交系统中，P、V操作可用于司机与乘务员的协同工作： - 司机线程通过P(s2)操作等待乘务员关闭车门（s2初始值为0，表示车门未关闭），然后启动并行驶。 - 乘务员线程通过P(s1)操作等待车辆停车（s1初始值为1，表示车辆已停），然后开门、售票、关门，最后执行V(s2)，通知司机车门已关。 4. 图书馆座位管理： - 使用两个信号量，N表示空座位数量，mutex表示对登记表的独占访问权限。 - 读者线程通过P(N)获取一个空座位，如果所有座位已满则阻塞；然后使用P(mutex)进入登记区，登记座位后释放mutex，完成阅读后再次P(mutex)注销座位，最后V(N)释放座位。 这些示例展示了信号量在解决并发问题中的应用，它们是操作系统中实现进程同步和互斥的关键工具，确保了多进程环境下的资源安全和程序正确性。