题目

计算机系统中的进程之间往往需要相互协作以完成一个任务。在某网络系统中缓冲区 B 用于存放一个数据分组，对 B 的操作有 C1、C2、C3：

• C1：将一个数据分组写入 B
• C2：从 B 中读出一个数据分组
• C3：对 B 中的数据分组进行修改

要求 B 为空时才能执行 C1，B 非空时才能执行 C2 和 C3。

请回答下列问题。

(1) 假设进程 P1 和 P2 均需执行 C1，实现 C1 的代码是否为临界区？为什么？（2 分）

(2) 假设 B 初始为空，进程 P1 执行 C1 一次，进程 P2 执行 C2 一次。请定义尽可能少的信号量，并用 wait()/signal() 操作描述 P1、P2 之间的同步或互斥关系，说明所用信号量的作用及初值。（3 分）

(3) 假设 B 初始不为空，进程 P1 和 P2 各执行 C3 一次，请定义尽可能少的信号量，并用 wait()/signal() 操作描述 P1 和 P2 之间的同步或互斥关系，说明所用信号量的作用及初值。（3 分）

解析

（1）C1 是不是临界区？

答：是。

判定一段代码是否为"临界区"，标准就一句：它是否访问了多个进程共享的、且不能并发修改的资源。C1 把数据分组写入 B——B 是 P1 和 P2 共享的缓冲区，且只能容纳"一个数据分组"。如果 P1、P2 同时执行 C1：

• P1 写到一半（比如分组前几个字节）就被 P2 抢先写
• 最后 B 里得到的是两份分组的"拼接残骸"——数据不一致

为防止这种结果，必须让 C1 互斥执行，所以它是临界区。

编者注（判定要点）： "临界区"= 访问临界资源的那段代码，不是临界资源本身。本题里临界资源是 B，C1 是访问它的代码 → C1 才是临界区。这两个概念在选择题里也常混淆。

（2）P1 写一次 + P2 读一次：最少几个信号量？

关键观察：P1 和 P2 各执行一次，且行为不同（一写一读）——并不存在两个 P 同时写、或两个 P 同时读的场景。所以不需要互斥信号量，只需同步信号量让 P2 等 P1 写完。

只需 1 个信号量：

semaphore full = 0;     // B 中是否有数据；0 表示空，1 表示有

P1() {
    C1;                 // 写入 B
    signal(full);       // 通知 P2：B 已有数据
}

P2() {
    wait(full);         // 等待 B 中有数据
    C2;                 // 读 B
}

信号量	初值	作用
full	0	表示"B 中有数据"事件，实现 P2 → P1 的单向同步（C2 等 C1 完成）

编者注（易错点）：

• 不需要 mutex：题目明确"P1 执行 C1 一次、P2 执行 C2 一次"——一写一读且各 1 次，不会撞车。强行加一个互斥信号量会被扣分（"未做到尽可能少"）。
• 不需要 empty：题目说"B 初始为空"，且只写 1 次，不会遇到"B 满了 P1 还要写"的情况。
• 把这道题和"生产者-消费者"区别开：那个是循环执行，需要 empty + full + mutex；本题是一次性的，1 个 full 就够。

（3）P1 和 P2 各执行 C3 一次：最少几个信号量？

关键观察：两进程都执行 C3（修改 B 中的数据分组），属于"两个写者"。如果同时执行会互相覆盖、数据混乱——典型的需要互斥的场景。

但题目说 B 初始非空，C3 只读改不需要等 B 被填满，所以不需要同步信号量。

只需 1 个信号量：

semaphore mutex = 1;    // 互斥访问 B 的临界区锁

P1() {
    wait(mutex);
    C3;                 // 修改 B
    signal(mutex);
}

P2() {
    wait(mutex);
    C3;                 // 修改 B
    signal(mutex);
}

信号量	初值	作用
mutex	1	互斥锁，保证同一时刻只有一个进程能执行 C3

编者注（对比 (2) 与 (3)）：

对比维度	(2) C1 / C2	(3) C3 / C3
两进程动作	一写一读	都写
顺序约束	C2 必须等 C1 完成	谁先无所谓，但不能同时
需要的信号量	同步：full (init=0)	互斥：mutex (init=1)
关键技巧	用 signal/wait 表达"事件完成"	用 signal/wait 包夹临界区

同步信号量初值=0、互斥信号量初值=1，是这两类典型用法的"特征签名"。考场上看到初值能反推用途、看到用途能立刻给初值。

• 不要写"既同步又互斥"：(3) 中两个进程顺序无所谓、且 B 已非空，硬塞一个 full 信号量是多余的。考研标答严格按"尽可能少"扣分。