北京大学操作系统：进程同步与并发控制

"北京大学操作系统 进程同步机制" 操作系统中的进程同步机制是解决多进程并发执行时可能出现的问题，如数据不一致性、竞态条件等的关键技术。在并发环境中，进程的执行是间断性的，且相对执行速度不可预测，这就导致了并发程序执行的结果可能因执行顺序的不同而产生不确定性。在这种情况下，进程同步机制就显得尤为重要。 **基本概念** 进程同步是指在多进程环境中，通过控制进程的执行顺序和协同工作，确保它们能够正确地共享资源和交互信息。进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）是实现同步的一种方式，它允许进程传递消息，避免交错执行导致的问题。 **同步机制——信号量（Semaphore）** 信号量是一种经典的同步机制，由Dijkstra提出。它是一个整型变量，可以用来表示资源的数量或者作为进程间的同步信号。主要有两种类型：互斥量（Mutex Semaphore）和计数信号量。互斥量仅用于保护临界区，使得任何时候只有一个进程能访问；计数信号量则可以用于管理多个资源。 **同步机制——管程（Monitor）** 管程是Hoare提出的另一种同步机制，它将共享数据和访问这些数据的进程控制逻辑封装在一起，形成一个独立的实体。管程内定义了若干个过程，并通过一个公共的入口来控制对共享数据的访问，确保了同一时间只有一个进程能够执行管程内的代码，从而实现互斥访问。 **问题的提出** 并发执行的进程之间可能存在相互依赖的关系，例如，两个进程同时修改同一资源可能导致错误的结果。例如，在飞机订票系统中，如果两个终端同时尝试卖出同一张票，就可能出现错误。又如，一段代码中两个线程分别读写一个变量，如果操作顺序不当，可能会导致数据的不一致。 **并发执行过程分析** 并发执行可能导致竞争条件（Race Condition），即多个进程竞争共享资源，最终结果依赖于进程执行的精确时序。为了解决这个问题，引入了临界区的概念，每个进程中访问临界资源的部分称为临界区，同一时刻只能有一个进程在临界区内执行，以保证互斥。 **解决方法** 为了保证进程的正确同步，可以使用信号量或者管程来实现对临界区的保护。例如，可以使用P（wait）和V（signal）操作来控制对信号量的访问，确保在资源不足时进程会被阻塞，直到资源可用。管程则通过内置的调度机制，确保只有一个进程可以进入管程执行，其他试图进入的进程会被挂起，直到管程中的进程完成其操作并释放资源。 进程同步机制是操作系统设计中的核心部分，通过适当的同步机制，可以保证并发执行的正确性和系统的稳定性。北京大学操作系统课程中深入探讨了这些概念和技术，帮助学生理解和掌握如何在多进程环境中设计和实现高效的并发程序。