UGC NET CS 2014 年 12 月 – III |问题 25

这道问题来自于UGC NET CS 2014 年 12 月 – III考试中的计算机科学问题25。问题的主题是关于操作系统中的进程同步。

问题描述

在操作系统中，进程同步是非常重要的。在进程同步的过程中，有一个叫做信号量的概念，是非常重要的同步机制。请你写一个程序来解释信号量的概念。

程序介绍

信号量是一种用于进程同步的机制。信号量是一个计数器，用于控制访问共享资源的进程或线程的数量。当某个进程或线程需要访问共享资源时，它会通过信号量进行申请，如果信号量的计数器为零，则该进程或线程会被挂起，直到有一个信号量可用为止。

下面是一个使用信号量的程序示例，用于防止多个进程同时访问共享资源：

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

#define MAX_THREADS     3
#define MAX_COUNT       5

int count = 0;
sem_t semaphore;

void *increment(void *arg)
{
    int i;
    for (i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
        sem_wait(&semaphore);
        count++;
        printf("Thread %d: count = %d\n", (int)arg, count);
        sem_post(&semaphore);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    int i;
    pthread_t threads[MAX_THREADS];

    sem_init(&semaphore, 0, 1);

    for (i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, increment, (void *)i);
    }

    for (i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&semaphore);

    return 0;
}

上面的程序创建了三个线程，它们将在共享变量count上执行加一操作。在每个线程内部，sem_wait()函数将去申请信号量，来保证同一时间只有一个线程可以执行count的修改操作。在修改完成后，线程会通过sem_post()函数释放信号量，来允许其他线程执行count的修改操作。

程序演示

你可以尝试在本地编译和运行上面的代码，然后查看其输出结果。运行结果如下：

Thread 2: count = 1
Thread 2: count = 2
Thread 2: count = 3
Thread 2: count = 4
Thread 2: count = 5
Thread 0: count = 6
Thread 0: count = 7
Thread 0: count = 8
Thread 0: count = 9
Thread 0: count = 10
Thread 1: count = 11
Thread 1: count = 12
Thread 1: count = 13
Thread 1: count = 14
Thread 1: count = 15

通过上面的运行结果，可以看到访问count的操作是在三个线程之间轮流进行的，而且count的值总是符合预期的。这就说明了一个很重要的事实，即使用信号量可以消除并发访问共享资源时的竞争与数据不一致的问题，从而保证程序的正确性。

总结

在操作系统中，进程同步是非常重要的。对于进程同步的机制，信号量是一个非常重要的概念。在本文中，我们介绍了使用信号量来控制多个进程（线程）同时访问共享资源的机制，并给出了一个使用信号量的程序示例。我们可以尝试在本地编译和运行这个程序，然后观察其输出结果，从而更好地理解进程同步与信号量之间的关系。