门 | GATE-CS-2015（模拟测试）|问题 14

此题为GATE-CS-2015（模拟测试）中的题目14，主要考察对于进程通信和同步的理解和应用。

题目描述

有两个进程P1和P2，分别分配两个共享内存变量x和y，并根据以下伪代码进行操作：

// 进程 P1
while (true):
    x = x + 1
    y = y - 1
    
// 进程 P2
while (true):
    y = y + 1
    x = x - 1

其中+和-操作表示原子操作（保证原子性），并且起初x和y的值分别为m和n（m和n为正整数）。

问题：在以下选项中，哪个条件能够确保x和y不会达到负数？

A. n <= min(m, n)

B. m < n

C. m <= n

D. 2n >= m

解题思路

通过分析伪代码可以发现，如果进程P1在执行完x=x+1操作之后，P2在同一时刻执行了x=x-1操作，则x的值不变，而y的值发生了变化。同样的，如果进程P2在执行完y=y+1操作之后，P1在同一时刻执行了y=y-1操作，则y的值不变，而x的值发生了变化。因此，x和y能够保持不变的唯一条件是P1和P2的操作不出现重叠。

为了解决进程通信和同步问题，可以使用信号量 Semaphore。Semaphore机制是一种非常有用、广泛使用的同步机制，主要用于进程间的同步。Semaphore可以保证共享资源在任意时刻只被一个进程访问，从而避免进程间的竞争。

总结起来，如果P1和P2的操作完全同步，即彼此不干扰，则x和y不会达到负数。使用信号量机制可以很好地实现进程的同步。

代码实现

from threading import Thread, Semaphore

class Process:
    def __init__(self, x, y, semaphore):
        self.x = x
        self.y = y
        self.semaphore = semaphore

class P1(Process):
    def run(self):
        while True:
            self.semaphore.acquire() # 申请信号量
            self.x += 1
            self.y -= 1
            print(self.x, self.y)
            self.semaphore.release() # 释放信号量

class P2(Process):
    def run(self):
        while True:
            self.semaphore.acquire() # 申请信号量
            self.y += 1
            self.x -= 1
            print(self.x, self.y)
            self.semaphore.release() # 释放信号量

if __name__ == '__main__':
    m = 10
    n = 5
    semaphore = Semaphore(1)
    p1 = P1(m, n, semaphore)
    p2 = P2(m, n, semaphore)
    t1 = Thread(target=p1.run)
    t2 = Thread(target=p2.run)
    t1.start()
    t2.start()

代码实现运用了Python中的threading库，创建了P1和P2两个进程，并使用Semaphore实现了进程之间的同步。Semaphore初始化时创建的是一个信号量，其内部计数器的初始值为1，表示可以有一个进程同时访问临界区。Semaphore提供的acquire()和release()方法分别实现申请和释放信号量的功能。当信号量计数器为0时，acquire()方法将阻塞进程，直到结果为真；而release()方法则将计数器加1，使其他等待信号量的进程可以访问。