计算机四级嵌入式之操作系统原理（四）并发与同步
（全国计算机等级考试 四级嵌入式系统开发工程师 考点精讲，2026最新视角）
NCRE 四级嵌入式系统开发工程师考试中，操作系统原理部分占分较大（通常 30-40 分左右），而并发与同步是重中之重，几乎每年必考大题（选择 + 填空 + 简答 + PV 操作分析）。
本节对应大纲：进程同步机制、死锁概念及解决方案（2025版大纲明确要求“深入理解”）。
1. 核心概念速记表（先背这些）
| 概念 | 定义 / 含义 | 关键特性 / 目的 | 典型考点 / 易错点 |
|---|---|---|---|
| 并发 | 宏观上多个程序“同时”运行（交替执行） | 提高资源利用率 | 并发 ≠ 并行；并发导致共享资源竞争 |
| 互斥 | 进程对临界资源一次只允许一个进程访问 | 避免数据不一致 | 临界区互斥原则：空闲让进、有限等待等 |
| 同步 | 进程间有依赖关系，必须按特定顺序执行 | 协作完成任务 | 生产者-消费者、读者-写者问题 |
| 临界区 | 进程中访问共享资源的代码段 | 必须互斥进入 | 临界区四原则（互斥、进步、有限等待、让权） |
| 临界资源 | 一次只允许一个进程使用的共享资源 | 打印机、共享变量、文件等 | — |
| 信号量 | 整型变量 + PV 原语（原子操作） | 实现互斥 & 同步 | 互斥：初值1；同步：初值0或资源数 |
| 管程 | 高级同步原语（封装 + 条件变量） | 比信号量更安全、更易用 | 条件变量 wait/signal |
| 死锁 | 一组进程互相等待对方释放资源，形成循环等待 | 四个必要条件同时满足 | 鸵鸟、预防、避免、检测+恢复 |
2. 进程同步与互斥的实现方式对比（选择题常考）
| 方式 | 实现难度 | 适用性 | 优点 | 缺点 / 问题 | 考点示例 |
|---|---|---|---|---|---|
| 软件方法 | 高 | 仅双进程 | 无需硬件支持 | 复杂、忙等待、可能死锁 | Dekker、Peterson 算法 |
| 硬件方法 | 中 | 多进程 | 简单、原子性 | 忙等待（自旋锁） | TSL（Test and Set Lock）、Swap |
| 信号量 | 中 | 多进程 | 灵活（互斥+同步） | 易出错（顺序错、初值错 → 死锁） | PV 操作、经典问题分析 |
| 管程 | 低 | 多进程 | 自动互斥、条件变量更安全 | 语言级支持（Java synchronized） | 条件变量、wait/signal |
四原则（互斥进入临界区必须满足）：
- 互斥：同一时刻只有一个进程在临界区
- 进步：有进程想进且临界区空闲 → 一定能进
- 有限等待：等待时间有限（防饥饿）
- 让权等待（可选）：进程不能进入时应让出 CPU
3. 信号量 & PV 操作（重磅！大题必考）
信号量 S：整数变量
- S ≥ 0：表示可用资源数
- S < 0：|S| 表示等待该资源的进程数
PV 原语（原子操作，不可中断）：
- P 操作（wait / down）：申请资源
S = S – 1
若 S ≥ 0，继续执行；
若 S < 0，进程阻塞，进入等待队列 - V 操作（signal / up）：释放资源
S = S + 1
若 S ≤ 0，唤醒等待队列中一个进程
初值设置口诀（面试/大题必背）：
- 互斥：信号量初值 = 1（一把锁）
- 同步（前驱后继）：
- 后继进程等前驱完成：初值 = 0（V 在前驱，P 在后继）
- 生产者-消费者：缓冲区满信号量初值 = 0，空信号量初值 = 缓冲大小
经典问题 PV 操作模板（默写这些）：
- 生产者-消费者（单缓冲 / 多缓冲）
mutex = 1 // 互斥访问缓冲区
empty = n // 空缓冲区数
full = 0 // 满缓冲区数
生产者：
P(empty)
P(mutex)
生产...
V(mutex)
V(full)
消费者：
P(full)
P(mutex)
消费...
V(mutex)
V(empty)- 读者-写者（读者优先 / 写者优先） 读者优先（读读并发，写写/读写互斥）：
- readcount = 0
- rmutex = 1（保护 readcount）
- wmutex = 1（写互斥） 读者：P(rmutex) → readcount++ → if(readcount==1) P(wmutex) → V(rmutex) … 读完 → P(rmutex) readcount– → if(readcount==0) V(wmutex) V(rmutex)
- 哲学家就餐（死锁典型案例）
4. 死锁（必考！）
死锁四个必要条件（缺一不可）：
- 互斥条件：资源独占
- 请求与保持（Hold and Wait）：占有资源同时请求其他
- 不可抢占：资源只能自愿释放
- 循环等待：形成环路
处理策略（选择 + 简答常考）：
- 鸵鸟策略：忽略（Windows 很多资源死锁就这样）
- 预防：破坏四个条件之一（最彻底，但效率低）
- 资源静态分配（破坏请求保持）
- 按序申请（破坏循环等待）
- 避免：银行家算法（安全序列检测）
- 安全状态：存在一个进程序列，所有进程都能完成
- 每次分配前模拟检查是否进入不安全状态
- 检测 + 恢复：资源分配图 + 死锁检测算法 → 剥夺资源 / 终止进程
银行家算法考点：
- 最大需求矩阵 Max
- 已分配 Allocation
- 需求 Need = Max – Allocation
- 可用 Available
- 找安全序列：每次找一个 Need ≤ Available 的进程，假装它完成，释放资源，继续找…
5. 速成自测题（模拟真题）
- 信号量初值为 1，用于实现（ ）
A. 互斥 B. 同步 C. 两者都可 D. 两者都不可 - 生产者-消费者问题中，缓冲区大小为 10，则 empty 初值应为（ ）
A. 0 B. 1 C. 10 D. 11 - 死锁预防中，破坏“请求与保持”条件的方法是（ ）
A. 资源静态分配 B. 按序申请资源 C. 允许抢占 D. 银行家算法 - 下列哪个不是死锁必要条件？（ ）
A. 互斥 B. 有限等待 C. 请求与保持 D. 循环等待
答案：1.A 2.C 3.A 4.B
掌握这些，并发与同步 这章基本能拿 80%+ 分。下一节通常是内存管理（分区、分页、段页、虚拟内存），想继续要不要我直接出第五节笔记？或者有具体 PV 操作题 / 银行家算法想手撕 / 模拟题想刷，直接贴上来我帮你分析！
