面试题：Ruby 中线程与并发编程的基础概念

Question

请简要阐述 Ruby 线程的基本原理，以及在多线程编程中如何避免常见的资源竞争问题？

Answer 1

Ruby 线程基本原理

1. 轻量级执行单元：Ruby 线程是一种轻量级的执行单元，允许在同一进程内并发执行多个任务。它们共享进程的内存空间，包括全局变量和堆内存等。
2. 协作式调度：Ruby 使用协作式调度（Cooperative Scheduling），也称为用户级线程调度。这意味着线程不会被操作系统抢占式地调度，而是在执行过程中主动让出 CPU 控制权，例如通过调用 Thread.pass 方法或执行一些 I/O 操作（如文件读取、网络请求）时，会暂停当前线程，允许其他线程运行。

避免多线程资源竞争问题的方法

1. 互斥锁（Mutex）
   • 原理：互斥锁是一种简单的同步机制，它只允许一个线程在同一时间进入临界区（共享资源访问代码段）。
   • 使用示例：

mutex = Mutex.new
shared_resource = 0

thread1 = Thread.new do
  mutex.lock
  shared_resource += 1
  mutex.unlock
end

thread2 = Thread.new do
  mutex.lock
  shared_resource += 1
  mutex.unlock
end

thread1.join
thread2.join
puts shared_resource # 输出 2，避免了资源竞争导致的错误结果

2. 读写锁（ReadWriteLock）
   • 原理：读写锁允许同时有多个线程进行读操作，但只允许一个线程进行写操作。读操作之间不会产生资源竞争，因此可以并发执行，提高效率。
   • 使用示例：

require 'thread'
rw_lock = ReadWriteLock.new
shared_data = []

reader1 = Thread.new do
  rw_lock.synchronize(:read) do
    # 读取 shared_data
  end
end

writer1 = Thread.new do
  rw_lock.synchronize(:write) do
    # 修改 shared_data
  end
end

reader1.join
writer1.join

3. 条件变量（ConditionVariable）
   • 原理：条件变量用于线程间的同步通信，它允许线程在满足某个条件时被唤醒。通常与互斥锁一起使用，线程在等待条件变量时会释放持有的互斥锁，避免死锁。
   • 使用示例：

mutex = Mutex.new
cv = ConditionVariable.new
ready = false

producer = Thread.new do
  mutex.lock
  # 生产数据
  ready = true
  cv.signal
  mutex.unlock
end

consumer = Thread.new do
  mutex.lock
  cv.wait(mutex) until ready
  # 消费数据
  mutex.unlock
end

producer.join
consumer.join

4. 线程局部存储（Thread Local Storage）
   • 原理：每个线程都有自己独立的存储空间，不同线程之间不会共享这些数据，从而避免了资源竞争。
   • 使用示例：

thread_local_var = Thread.current.thread_variable_get(:my_var) rescue nil
if thread_local_var.nil?
  thread_local_var = []
  Thread.current.thread_variable_set(:my_var, thread_local_var)
end
# 每个线程独立操作自己的 thread_local_var，无资源竞争问题