门| GATE-CS-2017(Set 2)|问题1

这是GATE-CS-2017(Set 2)考试的第一道题目，需要求解的是一个公共区域被多个进程同时访问的情况下，如何保证访问的互斥性以及死锁的避免。

题目描述

假设有$n$个进程需要访问一个公共区域，同时这$n$个进程都需要$3$个操作，即“进入公共区域”、“使用公共区域”和“离开公共区域”。如果要保证进程访问公共区域的互斥性，应该如何实现互斥访问？如果要避免死锁，又应该如何实现？

解题思路

互斥访问

为了保证进程对公共区域的互斥访问，我们需要使用互斥锁。在访问公共区域之前，每个进程都需要通过互斥锁来获取访问权限。只有当互斥锁被当前进程获取后，其他进程才能继续进行访问公共区域的尝试。

具体来说，每个进程需要执行以下步骤：

• 尝试获取互斥锁。
• 如果互斥锁被占用，则等待其它进程释放互斥锁。
• 如果成功获取互斥锁，则进行公共区域的操作。
• 操作完成后，释放互斥锁。

避免死锁

为了避免死锁，我们需要保证以下几个条件的满足：

1. 互斥条件：每个进程在访问公共区域时，必须持有互斥锁。
2. 持有和等待条件：如果一个进程已经持有互斥锁，但还想要获取其它进程所持有的互斥锁，则应该释放已经持有的互斥锁，并等待其它进程释放需要的互斥锁。
3. 不剥夺条件：如果一个进程占有了某个互斥锁，其他进程不能剥夺其所占有的锁。
4. 环路等待条件：如果有多个进程尝试获取互斥锁，而这些进程形成了一个循环等待的环路，则会发生死锁。

为了满足以上四个条件，我们需要采用以下措施：

1. 破坏环路等待条件：如果多个进程需要获取多个资源，我们可以规定所有进程必须按照一定顺序请求资源，避免产生循环等待的环路。
2. 破坏持有和等待条件：如果一个进程需要同时获取多个互斥锁，而这些锁已经被其它进程占用，则该进程需释放所有已经占有的互斥锁，并等待所有需要的锁都被释放后再重新请求。
3. 破坏不剥夺条件：如果一个进程获取了某个互斥锁，而后续需要的资源一直被其它进程占用，我们可以规定所有互斥锁都必须采用“超时机制”，即如果进程等待的时间太长，则需要放弃对该资源的请求，并释放已经占有的互斥锁。

代码片段

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* task(void* arg) {
    int id = (int)arg;
    printf("进程%d正在尝试进入公共区域...\n", id);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("进程%d已经进入公共区域!\n", id);
    printf("进程%d正在使用公共区域...\n", id);
    sleep(1);
    printf("进程%d已经离开公共区域!\n", id);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, task, (void*)i);
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    return 0;
}

以上代码演示了如何使用互斥锁来保证多个进程对公共区域的互斥访问。在任务函数中，每个进程都需要先尝试获取互斥锁。如果互斥锁已经被其它进程占用，则该进程会被阻塞等待。当互斥锁被该进程获取后，进程就可以进行公共区域的操作了。操作完成后，进程需要释放互斥锁，以便其他进程可以参与公共区域的访问。