门 | GATE-CS-2017（套装1）|第 35 题

这是一道GATE-CS-2017考试（套装1）的第35题，它考察了程序员在并发执行和同步机制方面的知识。

题目描述

有两个进程P1和P2，它们共享四个资源，这些资源分别为A、B、C和D。进程P1执行以下操作：

1. P1使用资源A
2. P1使用资源B
3. P1使用资源C

进程P2执行以下操作：

1. P2使用资源C
2. P2使用资源D

进程P1和P2都需要对共享资源进行访问，并且它们之间也需要协调，以避免产生竞争条件。以下是程序员需要解决的问题：

1. 通过使用代码实现一个进程同步方案，确保进程P1和P2同步访问四个共享资源。
2. 在你的解决方案中，说明如何确保互斥和死锁避免。
3. 请使用markdown格式提供你的解决方案代码片段。

解决方案

为了确保进程P1和P2同步地访问四个共享资源，可以使用信号量机制。在本解决方案中，使用了两个互斥锁和两个信号量来完成同步和互斥。一个互斥锁是为了确保P1可以一次获取所有三个资源，另一个互斥锁是为了确保P2可以一次获取两个资源。两个信号量用于确保P1和P2访问资源时互相等待。

为了确保互斥，每个进程在使用资源之前必须获取相应的互斥锁。为了确保死锁避免，如果进程无法获取资源，则该进程必须进入等待状态。

下面是使用Python编写的解决方案代码片段：

import threading

# 定义互斥锁
mutex_lock1 = threading.Lock()
mutex_lock2 = threading.Lock()

# 定义信号量
semaphore1 = threading.Semaphore(0)
semaphore2 = threading.Semaphore(0)

# 定义共享资源
resources = {'A':1, 'B':1, 'C':1, 'D':1}

def process1():
    mutex_lock1.acquire() # 获取P1的互斥锁
    resources['A'] -= 1
    resources['B'] -= 1
    resources['C'] -= 1
    mutex_lock1.release() # 释放P1的互斥锁
    semaphore1.release() # 释放P1的信号量
    semaphore2.acquire() # 获取P2的信号量
    # P1继续执行

def process2():
    mutex_lock2.acquire() # 获取P2的互斥锁
    resources['C'] -= 1
    resources['D'] -= 1
    mutex_lock2.release() # 释放P2的互斥锁
    semaphore2.release() # 释放P2的信号量
    semaphore1.acquire() # 获取P1的信号量
    # P2继续执行

t1 = threading.Thread(target=process1)
t2 = threading.Thread(target=process2)

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

本解决方案使用Python的threading模块来实现多线程，其中包含了两个进程process1和process2。进程process1使用资源A、B和C，而进程process2使用资源C和D。为了确保并发执行和同步访问，定义了两个互斥锁：mutex_lock1和mutex_lock2。为了确保进程之间的同步访问，定义了两个信号量：semaphore1和semaphore2。

在进程process1中，首先获取P1的互斥锁，然后操作A、B和C资源，并释放P1的互斥锁。在进程process2中，首先获取P2的互斥锁，然后操作C和D资源，并释放P2的互斥锁。在上述任一进程中，为了等待其他进程操作其共享资源，调用该进程的信号量。如果某个进程无法获取共享资源，则会阻塞并等待。

在这种情况下，由于互斥锁和信号量机制的存在，可以确保进程P1和P2同步访问四个共享资源，同时避免了互斥和死锁的情况发生。