第四章：进程的通信课后习题

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单项选择题

1. （1）有3个进程P1、P2、P3共享同一个程序段，而每次最多允许两个进程进入该程序段，则信号量S的初值为。
   • A. 0
   • B. 1
   • C. 2
   • D. 3

答案：C. 2
解释：信号量用于控制对共享资源的访问。如果每次最多允许两个进程进入程序段，信号量S的初值应为2。

2. （2）在操作系统中，wait、signal操作是一种。
   • A. 机器指令
   • B. 系统调用命令
   • C. 作业控制命令
   • D. 低级进程通信

答案：D. 低级进程通信
解释：wait和signal操作是用于进程间通信的低级原语，它们用于实现进程同步和互斥。

3. （3）用signal操作唤醒一个进程时，被唤醒进程的状态应变成状态。
   • A. 等待
   • B. 运行
   • C. 就绪
   • D. 完成

答案：C. 就绪
解释：signal操作用于唤醒处于等待状态的进程，将其状态改变为就绪状态。

4. （4）用信箱实现并发进程间的通信需要两个基本的通信原语，它们是。
   • A. wait原语和signal原语
   • B. send原语和receive原语
   • C. R（S）和W（S）
   • D. 以上都不是

答案：B. send原语和receive原语
解释：send和receive是信箱通信中的基本原语，用于发送和接收消息。

5. （5）设与某资源关联的信号量初值为3，当前值为1。若M表示当前该资源的可用个数，N表示当前等待该资源的进程数，则M、N分别是。
   • A. 0、1
   • B. 1、0
   • C. 1、2
   • D. 2、0

答案：B. 1、0
解释：信号量的当前值为1，表示有一个资源可用（M=1）。由于没有进程在等待（信号量值不是负数），N=0。

6. （6）用来实现进程同步与互斥的wait操作和signal操作，实际上是的过程。
   • A. 一个可被中断
   • B. 一个不可被中断
   • C. 两个可被中断
   • D. 两个不可被中断

答案：D. 两个不可被中断
解释：wait和signal操作通常是原子操作，不可被中断，以确保进程同步和互斥的正确性。

填空题

1. （1）临界资源是一次只允许一个进程使用的资源，临界区是访问临界资源的那段代码。
2. （2）信号量s>0时，表示资源的空闲数量；当s=0时，表示资源已经耗尽，但没有进程在等待；若s<0，则表示有|s|个进程在等待。
3. （3）设计进程同步机制的准则有空闲让进、忙则等待、有限等待和让权等待。

基本概念解释和辨析

1. 同步与互斥

   • 同步：指协调进程间的执行顺序，使得进程按照一定的顺序执行。
   • 互斥：指确保在任何时刻，只有一个进程能访问临界资源。

2. 临界资源与临界区

   • 临界资源：指一次只能被一个进程使用的资源。
   • 临界区：指访问临界资源的代码段，需要互斥执行。

3. 高级通信与低级通信

   • 高级通信：指操作系统提供的进程间通信机制，如消息队列、共享内存等。
   • 低级通信：指基本的通信原语，如信号量、管程等。

4. 直接通信与间接通信

   • 直接通信：指进程间直接交换信息，如通过共享内存。
   • 间接通信：指进程间通过某种中介（如信箱、消息队列）交换信息。

论述题

（1）什么是“忙等待”？如何克服“忙等待”？

**“忙等待”**是指当一个进程试图进入一个已经被占用的临界区时，该进程不断检查资源是否可用的状态，而不是挂起等待资源释放。这种状态下，进程白白消耗CPU时间，不做任何有用的工作。

**克服“忙等待”**的方法是让试图进入忙状态的临界区的进程进入“睡眠”状态，即阻塞状态，这样它就不会消耗CPU资源。当资源被释放时，由释放资源的进程通过某种机制（如信号量）来唤醒等待的进程。

（2）在解决进程互斥时，如果TS指令的执行可以中断，则会出现什么情况？而如果wait、signal的执行可分割，又会出现什么情况？

如果TS（Test and Set）指令的执行可以中断，则可能破坏互斥条件。TS指令用于设置一个标志位，并返回设置前的标志位值。如果TS指令在测试和设置之间被中断，其他进程可能错误地认为资源可用，导致多个进程同时进入临界区。

如果wait、signal操作的执行可分割，则可能破坏信号量机制的原子性。wait操作应该原子性地减少信号量的值，而signal操作应该原子性地增加信号量的值。如果这些操作可以被中断，它们可能不会正确地更新信号量的值，导致进程同步问题。

（3）设有n个进程共享一互斥段，对于如下两种情况：

（1）每次只允许一个进程进入临界区；
（2）最多允许m个进程(m<n)同时进入临界区。
所采用的信号量是否相同？信号量值的变化范围如何？
对于这两种情况，所采用的信号量是不同的。第一种情况使用的是互斥信号量，其初值设为1，允许一个进程进入临界区。第二种情况使用的是计数信号量，其初值设为m，允许最多m个进程同时进入临界区。信号量值的变化范围为：

• 第一种情况：信号量的值变化范围为0到1。
• 第二种情况：信号量的值变化范围为0到m。

（4）下面是两个并发执行的进程，它们能正确执行吗？若不能正确执行，请举例说明，并改正之（x是公共变量）。

这两个进程不能正确执行，因为它们对共享变量x的访问没有进行同步，导致了竞态条件。进程P1和P2中的代码片段不是原子操作，它们可以被中断，导致x、y、z的值可能不正确。

改正方法：
使用信号量或其他同步机制来确保对共享变量x的操作是原子的，并且避免竞态条件。例如：

struct semaphore s;
s.value = 1;

void P1() {
   
    int y, z;
    wait(s);
    x = 1;
    y = 0<