计算机四级嵌入式之操作系统原理（四）并发与同步-育师

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(readcount1) P(wmutex) → V(rmutex) … 读完 → P(rmutex) readcount-- → if(readcount0) V(wmutex) V(rmutex)
哲学家就餐（死锁典型案例）