门 | GATE CS 2018 |问题 26

该问题是GATE计算机科学2018年考试的问题26。该问题涉及操作系统中与进程同步相关的内容。

题目描述

给定一个单处理器计算机系统，其中进程使用两种不同的同步对象：锁和信号量。在使用这两个同步对象时，请回答以下问题：

1. 您可以使用锁实现信号量吗？如果可以，请解释如何实现。如果不行，请解释原因。
2. 您可以使用信号量来实现锁吗？如果可以，请说明如何实现。如果不行，请解释理由。

输入

无

输出

输出两个问题的答案，对于每个问题，如果可以回答，请解释如何回答，如果不能回答，则说明回答的原因。

解答

可以使用锁实现信号量

可以使用锁来实现信号量的功能，锁与信号量的不同之处在于锁只有二进制状态，即只有打开和关闭两个状态。因此，在使用锁实现信号量时，需要两个不同的锁。 类似信号量，一个锁用于锁定资源，另一个锁用于释放锁定资源。

实现这种锁的最常见方法是将布尔值标志与锁结合使用，以允许或阻止进入临界区域。标志用于指示在确认已解锁资源之前，进程是否应等待锁定资源。以下是标准算法：

int sem = 1;
void wait() {
  while (sem <= 0);
  sem--;
}
void signal() {
  sem++;
}

如果使用锁来实现信号量，则将其转换为以下形式：

int semaphore = 1;
int mutex1 = 1;
int mutex2 = 1;
void wait() {
  while (mutex1 <= 0);
  mutex1--;
  while (semaphore <= 0) {
    mutex1++;
    while (mutex2 <= 0);
    mutex2--;
    mutex1--;
    if (semaphore <= 0) {
      mutex2++;
      mutex1++;
    }
  }
  semaphore--;
  mutex1++;
  mutex2++;
}
void signal() {
  while (mutex1 <= 0);
  mutex1--;
  semaphore++;
  mutex1++;
}

因此，锁可以用于同步，因此可以使用锁实现信号量。

不能使用信号量来实现锁

信号量是一种更为通用的同步对象，能够在多种上下文中使用，因此，可以基于信号量实现不同类型的同步，包括锁。同一信号量可以同时由多个进程/线程共享，提示信号量在进程同步中所发挥的重要作用。

然而，当涉及到锁时，需要进行原子操作，以防止多个进程同时进入关键部分。信号量不能有效地保护关键区域，因为其中多个进程可以同时进入。 因此，使用信号量来实现锁没有实际效果，也因此回答第二个问题时不能用信号量来实现锁。

结论

通过以上分析，可以使用锁实现信号量，但不能使用信号量来实现锁。这些概念对于操作系统中进程同步和共享资源的安全性至关重要。