临界资源与共享资源

1. 概念层级与关系

• 共享资源 (Shared Resource): 这是总称，指系统中可供多个进程共同使用的资源。其核心目的是提高资源利用率。根据其共享方式的不同，可进一步细分为以下两种。

  1. 互斥共享资源 (Mutually Exclusive Shared Resource): 这就是我们通常所说的 临界资源 (Critical Resource)。

  2. 同时共享资源 (Simultaneous Shared Resource)

因此，你问题的核心，就是辨析“互斥共享”和“同时共享”这两种模式。

2. 两种共享方式的深度辨析

这两种共享方式的根本区别在于：在“任一时刻”，资源是否允许被一个以上的进程访问。

2.1 临界资源 (互斥共享方式)

官方定义: 在一段时间内，只允许一个进程访问的资源。访问该资源的代码段称为临界区。

核心解读:

• “任一时刻” (At any single moment): 严格限制只有一个进程能正在使用该资源。如果进程A正在使用打印机，那么在同一微秒，进程B绝对不能使用。这是物理或逻辑属性决定的，强行违背会导致数据错乱或设备损坏。

• “某段时间内” (Over a period of time): 多个进程可以通过分时复用 (Time-Division Multiplexing) 的方式来“共享”该资源。它们在时间上是交替、串行地使用该资源，而不是真正地“同时”使用。

图示与实例：以打印机为例

假设有进程 P1, P2, P3 都需要打印文件。打印机本身是一个典型的临界资源。

     | P1使用 |         | P2使用 |      | P3使用 |
-----+--------+---------+--------+------+--------+-----> 时间轴
     t1       t2        t3       t4     t5       t6

• 在 t1 到 t2 这段时间的任意时刻: 只有 P1 在向打印机发送数据，P2 和 P3 必须等待。

• 在 t3 到 t4 这段时间的任意时刻: 只有 P2 在使用，P1 已用完，P3 仍在等待。

• 在 t1 到 t6 这段较长的时间内: 我们看到 P1, P2, P3 都使用了打印机，完成了各自的任务。从宏观用户的角度看，打印机这个设备被“共享”了。

实现机制:

这种“共享”是由操作系统通过同步互斥机制（如我们之前讨论的信号量和P、V操作）来管理的。对于打印机这类设备，通常还会采用 SPOOLing 技术 (假脱机技术)，将所有进程的打印请求先放入一个缓冲区（磁盘上的一个队列），然后由打印机进程依次从队列中取出并打印。这本质上就是将并发请求串行化，以适应临界资源的互斥属性。

常考点:

• 临界资源是引发进程同步与互斥问题的根源。

• 所有关于P、V操作、死锁的讨论，都是围绕着如何管理对临界资源的访问。

• 常见的临界资源：物理设备（打印机、扫描仪）、共享内存中由多个进程共同读写的变量、共享文件、消息队列等。

2.2 同时共享资源

官方定义: 在一段时间内，允许多个进程“同时”访问的资源。

核心解读:

• “任一时刻” (At any single moment): 允许有多个进程正在访问该资源。

• “某段时间内” (Over a period of time): 自然也允许多个进程访问。这里的“共享”是真正的并行或并发访问，而非时间上的交替。

实例：以只读文件为例

假设一个可重入的代码文件（如库函数）或一个公共的只读数据文件（如配置文件）被加载到内存中。进程 P1, P2, P3 都需要执行这段代码或读取这份数据。

P1读取 --> |              |
P2读取 --> | 共享的只读文件 | <-- 在同一时刻 t
P3读取 --> |              |

• 在任意时刻 t: P1 可以读取文件的A部分，P2 可以读取文件的B部分，P3 可以读取文件的C部分。它们的访问行为因为不改变资源状态，所以互相之间没有冲突。它们是真正在“同时”访问。

为什么可以同时？

关键在于访问的性质。如果所有访问都是“只读”的，不改变资源内容和状态，那么并发访问就是安全的。一旦有任何一个进程需要“写入”，那么这个资源在该“写入”操作期间就退化为了一个临界资源，需要进行互斥处理。（这也是“读者-写者问题”的由来，该问题是考研高频考点）。

常见的可同时共享资源:

• 可重入代码 (Reentrant Code)。

• 只读的数据文件或内存区域。

3. 总结与辨析表格

为了让你更清晰地掌握其区别，我为你整理了以下表格：

4. 关于“共享设备”的补充说明

“共享设备”是一个广义的术语。一个设备是临界资源还是同时共享资源，取决于其物理特性和使用方式。

• 打印机: 是共享设备，但其管理方式是作为临界资源。

• 硬盘: 情况更复杂。从物理上讲，磁盘的磁头在“任一时刻”只能在一个位置读写，因此物理设备本身是临界资源。但从逻辑上看，操作系统通过文件系统可以将磁盘空间划分为不同的文件，只要进程 P1 和 P2 访问的是不同的文件，它们的访问请求就可以在宏观上并发进行（由磁盘调度算法进行优化），看起来像是“同时共享”。但如果 P1 和 P2 同时写同一个文件，那这个文件就成了临界资源。