面试题：网络编程之Socket多线程处理基础

避免线程安全问题的方法

资源隔离：尽量减少共享资源，每个线程处理独立的数据，这样就不存在对共享资源的竞争。例如，每个客户端连接对应的Socket对象及其相关的数据结构都独立分配给处理该连接的线程，不同线程之间不交叉访问这些资源。
线程同步机制：当无法避免共享资源时，使用线程同步机制来保证在同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。

常见的线程同步机制及其在Socket场景中的应用

互斥锁（Mutex）
- 原理：互斥锁是一种二元信号量，它只有两种状态：锁定和解锁。线程在访问共享资源前先获取互斥锁，访问结束后释放互斥锁。同一时刻只有一个线程能够持有互斥锁，从而保证了共享资源的安全访问。
- Socket场景应用：假设多个线程需要访问一个全局的Socket连接池（共享资源）来获取可用的Socket进行数据发送。在访问连接池前，每个线程都要先获取互斥锁。例如在Python中：

import threading

# 创建互斥锁
mutex = threading.Lock()
socket_pool = []

def send_data():
    global socket_pool
    mutex.acquire()
    try:
        if socket_pool:
            socket = socket_pool.pop()
            # 使用socket发送数据
            socket.send(b'data')
            socket_pool.append(socket)
    finally:
        mutex.release()

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。但是写操作必须是独占的，即当有一个线程在进行写操作时，其他线程不能进行读或写操作。
- Socket场景应用：在某些情况下，可能有多个线程需要读取Socket接收到的数据（读操作），同时有一个线程负责更新Socket的配置信息（写操作）。例如在C++中：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>

std::shared_mutex socket_mutex;
std::string socket_data;

void read_socket() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(socket_mutex);
    std::cout << "Reading data: " << socket_data << std::endl;
}

void write_socket() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(socket_mutex);
    socket_data = "new data";
    std::cout << "Writing data" << std::endl;
}

信号量（Semaphore）
- 原理：信号量是一个计数器，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先获取信号量（将计数器减1），访问结束后释放信号量（将计数器加1）。当计数器为0时，其他线程无法获取信号量，只能等待。
- Socket场景应用：假设有一个服务器，限制同时处理的客户端连接数为10个（共享资源）。可以使用信号量来控制并发连接数。例如在Java中：

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SocketServer {
    private static final int MAX_CONNECTIONS = 10;
    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(MAX_CONNECTIONS);

    public static void handleConnection() {
        try {
            semaphore.acquire();
            // 处理客户端连接
            System.out.println("Handling connection");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release();
        }
    }
}

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常见的线程同步机制及其在Socket场景中的应用