第5章 进程同步

什么是临界区？临界区管理的四个要求是什么？

临界区是一段访问共享资源的程序代码。

• 互斥：最多一个进程在临界区
• 进步：临界区空的时必须让进
• 有限等待：等待时间有上界
• 与CPU速度无关：不依赖硬件速度

进程间同步与互斥的区别

• 同步：协作进程间有序执行（如生产者-消费者）
• 互斥：多个进程竞争同一资源（如打印队列）
• 互斥是同步的特殊情况

什么是信号量？P/V操作的作用是什么？

信号量是表示资源数量的非负整数变量。

• P操作（wait）：申请资源，s-1，若s<0阻塞
• V操作（signal）：释放资源，s+1，若s<=0唤醒

经典同步问题

生产者-消费者问题

• 同步关系：生产者不能超过缓冲区容量，消费者不能消费空缓冲区
• 解决：用三个信号量（空位、满位、互斥锁）

读者-写者问题

• 多个读者可同时读，写者排斥其他读者和写者
• 解决：用读写锁（RW Lock）

哲学家就餐问题

• 防止死锁：允许最多4个哲学家同时拿筷子，或奇偶位分别拿筷子

管程（Monitor）是什么？

管程是封装了共享变量及其操作的高级同步原语：

• 进程只能通过管程提供的过程访问共享数据
• 管程保证在同一时刻只有一个进程在管程内活动
• Java中的synchronized关键字和wait/notify机制基于管程思想

系统调用与用户态

用户态与内核态的区别是什么？

• 用户态权限低，禁止访问硬件
• 内核态权限高，可执行特权指令
• 内核态可直接与设备交互
• 切换通过系统调用、中断、异常触发

为什么要有用户态和内核态？

• 保护内核不被应用程序破坏
• 保证系统安全、稳定
• 普通程序无法直接访问硬件和内核数据结构

什么是系统调用？

• 用户态访问内核功能的唯一方式
• 涉及 用户态 → 内核态切换
• 开销比普通函数调用大，因为需要陷入（trap）

为什么系统调用比函数调用慢？

• 需要进行 用户态 → 内核态模式切换
• 保存/恢复更多上下文
• 触发陷入（trap）机制

锁和同步

什么是公平锁与非公平锁？

• 公平锁：按申请顺序获取锁
• 非公平锁：可能插队，性能更好
• Java ReentrantLock 可以选择

偏向锁是什么？消除锁是什么？

• 偏向锁：第一个获取锁的线程，之后操作无需加锁
• 消除锁：编译器消除不可能竞争的锁

CAS 与互斥锁的区别？

• CAS：无锁，compare and swap，循环尝试
• 互斥锁：有锁，阻塞/挂起线程
• CAS 适合轻量竞争

无锁编程是什么？

• 使用 CAS（Compare-and-Swap） 替代锁
• 线程无需阻塞，自旋重试
• 适合低冲突、高并发场景