面试题答案
一键面试互斥锁基本原理
- 概念：互斥锁（Mutex，即Mutual Exclusion的缩写）是一种二元信号量，用于线程间或进程间的同步。它只有两种状态：锁定（locked）和解锁（unlocked）。
- 工作机制
- 当一个线程或进程想要访问共享资源时，它首先尝试获取（lock）互斥锁。如果互斥锁处于解锁状态，获取操作成功，该互斥锁变为锁定状态，获取锁的线程或进程就可以安全地访问共享资源。
- 当访问共享资源完成后，该线程或进程需要释放（unlock）互斥锁，将其状态变为解锁状态，以便其他线程或进程可以获取锁并访问共享资源。
- 如果一个线程或进程尝试获取已经被锁定的互斥锁，它会被阻塞，直到持有该互斥锁的线程或进程释放它。
对性能产生较大影响的常见场景
- 频繁获取和释放锁的场景
- 说明：如果在一个循环或高频调用的函数中，反复地获取和释放互斥锁，每次获取和释放操作都有一定的开销，包括内核态和用户态的切换（对于基于内核的互斥锁实现），以及维护锁状态的相关操作。随着操作频率的增加，这些开销会显著累积，严重影响性能。
- 示例：在一个高并发的网络服务器程序中，如果每个网络请求处理函数都需要频繁获取和释放互斥锁来访问共享的连接池资源，大量时间会消耗在锁操作上，而不是真正处理网络请求。
- 长时间持有锁的场景
- 说明：当一个线程或进程获取互斥锁后，长时间占用锁进行一些复杂计算、I/O操作或其他耗时任务，那么其他需要获取该锁的线程或进程就会长时间等待。这不仅降低了系统的并发度，而且在等待队列中的线程或进程不断切换等待状态也会带来额外开销，从而严重影响系统整体性能。
- 示例：在一个多线程的文件处理程序中，某个线程获取互斥锁后，进行大文件的读写操作，由于I/O操作本身较慢，其他线程可能会长时间等待该锁，导致整体处理效率低下。
- 锁争用激烈的场景
- 说明：当有大量线程或进程同时竞争同一个互斥锁时，会出现严重的锁争用。每次只有一个线程或进程能获取到锁，其他竞争的线程或进程都需要进入等待队列，并且在锁被释放后重新竞争。这会导致大量的线程上下文切换和调度开销，同时也增加了锁管理的复杂度，严重降低系统性能。
- 示例：在一个共享内存的并行计算程序中，多个线程频繁访问共享内存中的数据并通过互斥锁同步，如果线程数量较多，对锁的争用会非常激烈，导致计算效率远低于预期。