操作系统进程同步与互斥核心知识点复习
一、信号量的取值含义与范围
信号量（Semaphore）是解决进程同步与互斥问题的核心工具，其取值不仅表示资源数量，也隐含了等待进程的信息。
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互斥信号量（Mutex）：
- 初值通常为 1，表示临界区只允许一个进程进入。
- 若信号量值为 0，表示资源已被占用，无进程等待。
- 若信号量值为 负数，其绝对值表示等待该资源的进程数量。
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同步信号量（用于进程协作）：
- 初值由具体场景决定，常见为 0 或 正整数N（如缓冲区空槽数量）。
- 例如，在生产者-消费者问题中，
empty表示空缓冲区数量，full表示满缓冲区数量。
✅ 关键理解：信号量的值 = 可用资源数（若≥0） 或 -等待进程数（若<0）。
二、进程的三种关系：互斥、同步、无关系
| 关系类型 | 特点 | 例子 |
|---|---|---|
| 互斥 | 竞争独占式资源，不同进程不能同时访问临界资源 | 多个进程写同一个文件 |
| 同步 | 为完成共同任务，进程间存在执行顺序的约束 | 生产者-消费者、司机与售票员 |
| 既同步又互斥 | 典型如缓冲区操作：互斥（保证读写不冲突） + 同步（缓冲区满/空时等待） | 生产者-消费者模型 |
| 无制约 | 进程间不共享资源，也无执行顺序要求 | 不同用户编译各自程序 |
✅ 关键理解：互斥是“争抢”，同步是“协作”，很多实际问题同时包含两者。
三、可重入代码与临界资源
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可重入代码（Reentrant Code）：
- 是指可以被多个进程/线程同时执行而不会出错的代码。
- 特点：不修改全局数据、只使用局部变量、或只读共享数据。
- 必须使用可重入代码的场景：多个进程共享的程序段（如共享库）。
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临界资源（Critical Resource）：
- 一次仅允许一个进程使用的资源，如：共享队列、共享变量、打印机等。
- 注意：可重入代码不是临界资源，因为它是只读的，可被同时执行。
✅ 关键理解：共享程序段必须可重入；共享数据结构必须互斥访问。
四、P、V 操作的原语性与作用
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P、V 操作是低级进程通信原语：
- 由操作系统内核提供，执行时不可中断（原子性）。
- 不是普通的系统调用，也不是机器指令或作业控制命令。
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P 操作（Wait）：
- 信号量减 1。
- 若结果 < 0，则当前进程阻塞，进入等待队列。
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V 操作（Signal）：
- 信号量加 1。
- 若结果 ≤ 0，表示有进程在等待，则唤醒等待队列中的一个进程，使其进入就绪队列。
✅ 关键理解：P 可能引起自身阻塞；V 可能唤醒另一个进程。
五、进程在临界区内被中断的行为
- 进程在临界区内持有锁（如信号量），即使因 I/O 等中断而让出 CPU：
- 锁仍然被该进程持有。
- 其他进程不能进入同一个临界区，但可以执行非临界区代码或其他不相关临界区。
- 中断返回后，该进程继续执行临界区代码，完成后释放锁。
✅ 关键理解：进入临界区后，锁不会因中断而自动释放。
六、复习要点小结
| 薄弱点 | 核心结论 |
|---|---|
| 信号量取值 | 负值表示等待进程数 |
| 同步 vs 互斥 | 互斥：争用资源；同步：协调顺序 |
| 可重入代码 | 共享程序段必须可重入 |
| P/V 操作 | P 可能阻塞自己，V 可能唤醒别人 |
| 临界区中断 | 锁不释放，其他进程无法进入同一临界区 |