面试题：Python异步编程之专家难度：异步编程中的资源竞争与死锁问题及解决方案

异步编程中资源竞争和死锁产生的根本原因

资源竞争
- 在异步编程中，多个异步任务可能同时访问和修改共享资源。由于异步任务的执行顺序不可预测（由事件循环调度），当一个任务正在读取或修改共享资源时，另一个任务可能也开始操作该资源，从而导致数据不一致等资源竞争问题。例如，多个异步函数同时对一个共享的计数器变量进行加操作，如果没有适当的同步机制，最终的计数器值可能不准确。
死锁
- 在异步编程中，死锁通常发生在多个异步任务相互等待对方释放资源的情况下。比如，任务A持有资源R1并等待资源R2，而任务B持有资源R2并等待资源R1，由于两者都在等待对方释放资源，就会陷入死锁。这与同步编程中死锁产生的原理类似，但在异步环境下，由于任务的执行是交错的，死锁的情况可能更难排查，因为任务不是像同步编程那样顺序执行。

与同步编程中此类问题的异同

相同点
- 本质原因：资源竞争和死锁产生的本质原因在同步和异步编程中是相似的，都是由于多个执行单元（线程、进程或异步任务）对共享资源的不当访问和相互等待资源导致的。
- 影响：都会导致程序出现错误行为，如数据不一致（资源竞争）或程序挂起（死锁），影响程序的正确性和稳定性。
不同点
- 执行模型：同步编程通常按顺序执行，资源竞争和死锁更容易追踪，因为执行流程相对清晰。而异步编程通过事件循环调度任务，任务执行顺序不可预测，使得资源竞争和死锁更难调试和排查。
- 资源管理方式：同步编程常使用锁、信号量等机制进行资源同步，而异步编程除了可以借鉴同步编程的部分机制外，还可以利用异步特有的锁（如asyncio.Lock）等进行资源管理。

预防和解决策略及代码示例

使用异步锁（asyncio.Lock）
- 策略：在访问共享资源前获取锁，访问完成后释放锁，确保同一时间只有一个异步任务能访问共享资源，避免资源竞争。
- 代码示例：

import asyncio


async def task1(lock):
    async with lock:
        print('Task 1 is accessing the shared resource')
        await asyncio.sleep(1)
        print('Task 1 finished accessing the shared resource')


async def task2(lock):
    async with lock:
        print('Task 2 is accessing the shared resource')
        await asyncio.sleep(1)
        print('Task 2 finished accessing the shared resource')


async def main():
    lock = asyncio.Lock()
    await asyncio.gather(task1(lock), task2(lock))


if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())

资源分配顺序策略
- 策略：为所有资源分配一个固定的顺序，所有异步任务都按照这个顺序获取资源，避免死锁。例如，任务A和任务B都需要获取资源R1和R2，那么它们都先获取R1，再获取R2，这样就不会出现相互等待的死锁情况。
- 代码示例：

import asyncio


async def task_a():
    resource1 = asyncio.Lock()
    resource2 = asyncio.Lock()
    async with resource1:
        print('Task A acquired resource1')
        await asyncio.sleep(1)
        async with resource2:
            print('Task A acquired resource2')
            await asyncio.sleep(1)
            print('Task A released resource2')
        print('Task A released resource1')


async def task_b():
    resource1 = asyncio.Lock()
    resource2 = asyncio.Lock()
    async with resource1:
        print('Task B acquired resource1')
        await asyncio.sleep(1)
        async with resource2:
            print('Task B acquired resource2')
            await asyncio.sleep(1)
            print('Task B released resource2')
        print('Task B released resource1')


async def main():
    await asyncio.gather(task_a(), task_b())


if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())

在这个示例中，task_a和task_b都按照先获取resource1再获取resource2的顺序，避免了死锁。

面试题：Python异步编程之专家难度：异步编程中的资源竞争与死锁问题及解决方案

知识考点

面试题答案

异步编程中资源竞争和死锁产生的根本原因

与同步编程中此类问题的异同

预防和解决策略及代码示例