面试题：进程管理：多线程并发执行中的资源竞争问题及解决方法

Question

在多线程并发执行场景下，常常会出现资源竞争问题。请阐述资源竞争产生的原因是什么？并列举至少两种常见的解决资源竞争的方法，说明其原理及适用场景。

Answer 1

资源竞争产生的原因

在多线程并发执行场景下，当多个线程同时访问和修改共享资源时，就会产生资源竞争。这是因为线程的执行是抢占式的，CPU 时间片在多个线程间快速切换，线程执行顺序不可预测。如果没有适当的同步机制，多个线程对共享资源的操作可能会相互干扰，导致数据不一致或程序出现错误。

常见解决资源竞争的方法

1. 互斥锁（Mutex）

   • 原理：互斥锁是一种二元信号量，它只有两种状态：锁定（locked）和未锁定（unlocked）。线程在访问共享资源前，必须先获取互斥锁。如果互斥锁已被其他线程锁定，那么当前线程会被阻塞，直到互斥锁被释放。只有获取到互斥锁的线程才能访问共享资源，访问完毕后释放互斥锁，让其他线程有机会获取并访问共享资源，以此保证同一时间只有一个线程能访问共享资源。
   • 适用场景：适用于对共享资源访问频率较高，且访问时间较短的场景。例如，在多线程环境下对数据库连接池的访问，通过互斥锁可以保证每次只有一个线程从连接池中获取或归还连接，避免多个线程同时操作导致连接池状态混乱。

2. 信号量（Semaphore）

   • 原理：信号量维护了一个计数器，它允许一定数量的线程同时访问共享资源。线程在访问共享资源前需要获取信号量，如果信号量的计数器大于 0，则计数器减 1，线程可以继续执行；如果计数器为 0，线程会被阻塞，直到有其他线程释放信号量（计数器加 1）。通过设置信号量的初始计数值，可以控制同时访问共享资源的线程数量。
   • 适用场景：适用于需要限制同时访问共享资源的线程数量的场景。比如，服务器端对某些资源的访问并发量有限制，通过信号量可以确保不超过这个限制。例如，一个服务器只能同时处理 10 个文件上传请求，就可以使用初始值为 10 的信号量来控制。

3. 读写锁（Read - Write Lock）

   • 原理：读写锁区分了读操作和写操作。允许多个线程同时进行读操作，因为读操作不会修改共享资源，不会产生数据竞争问题。而写操作会修改共享资源，为了保证数据一致性，当有线程进行写操作时，不允许其他线程进行读或写操作。写操作必须独占资源，直到写操作完成并释放锁。读锁可以被多个读线程同时获取，而写锁只能被一个写线程获取。
   • 适用场景：适用于读操作远远多于写操作的场景。比如，在一个在线文档查看系统中，大量用户可能同时查看文档（读操作），但只有少数用户会进行编辑（写操作）。使用读写锁可以提高系统的并发性能，在读操作频繁的情况下，多个读线程可以并发执行，而写操作时则保证数据的一致性。