面试题：进程管理下线程安全问题的特定解决方案评估

Question

假设在一个多线程的文件读写应用场景中，主线程负责写入文件，多个子线程负责读取文件。请详细描述如何使用信号量和互斥锁来解决线程安全问题，并分析这两种解决方案在该场景下的优缺点。

Answer 1

使用信号量解决线程安全问题

1. 初始化信号量：
   • 初始化一个信号量用于控制文件资源的访问，假设命名为 fileSemaphore，初始值设为1，表示同一时间只允许一个线程访问文件。
2. 主线程写入操作：
   • 在主线程执行写入文件操作前，调用 sem_wait(fileSemaphore)，获取信号量。这会导致如果此时有其他线程正在访问文件（信号量值为0），主线程会阻塞等待。
   • 主线程成功获取信号量后（信号量值减为0），执行文件写入操作。
   • 写入操作完成后，调用 sem_post(fileSemaphore)，释放信号量，将信号量值加1，允许其他线程获取信号量访问文件。
3. 子线程读取操作：
   • 每个子线程在执行读取文件操作前，同样调用 sem_wait(fileSemaphore) 获取信号量。
   • 成功获取信号量后执行文件读取操作。
   • 读取完成后，调用 sem_post(fileSemaphore) 释放信号量。

使用互斥锁解决线程安全问题

1. 初始化互斥锁：
   • 初始化一个互斥锁 fileMutex，用于保护文件资源的临界区。
2. 主线程写入操作：
   • 在主线程执行写入文件操作前，调用 pthread_mutex_lock(&fileMutex) 锁定互斥锁。如果此时互斥锁已被其他线程锁定，主线程会阻塞等待。
   • 主线程成功锁定互斥锁后，进入临界区，执行文件写入操作。
   • 写入操作完成后，调用 pthread_mutex_unlock(&fileMutex) 解锁互斥锁，允许其他线程进入临界区。
3. 子线程读取操作：
   • 每个子线程在执行读取文件操作前，调用 pthread_mutex_lock(&fileMutex) 锁定互斥锁。
   • 成功锁定后执行文件读取操作。
   • 读取完成后，调用 pthread_mutex_unlock(&fileMutex) 解锁互斥锁。

两种方案优缺点分析

1. 信号量优点：
   • 灵活性高：信号量的值可以大于1，在某些场景下可以允许多个线程同时访问文件资源，例如可以设置信号量初始值为3，允许3个线程同时读取文件，提高读取的并发性能。
   • 资源计数：信号量本身可以作为一种资源计数机制，通过观察信号量的值，可以了解当前文件资源的使用情况。
2. 信号量缺点：
   • 复杂度高：相比互斥锁，信号量的使用和理解更复杂，尤其是在处理信号量值的增减逻辑时，容易出现逻辑错误。
   • 性能开销：信号量操作通常涉及系统调用，性能开销相对较大。
3. 互斥锁优点：
   • 简单直观：互斥锁的逻辑简单，只有锁定和解锁两种状态，易于理解和使用，编程实现相对简单。
   • 性能较好：互斥锁的实现通常基于内核的原子操作，性能开销相对较小。
4. 互斥锁缺点：
   • 并发度低：互斥锁同一时间只允许一个线程进入临界区，对于多线程读取场景，会限制读取的并发性能，可能导致读取效率不高。
   • 功能单一：互斥锁主要用于保护临界区，不像信号量那样具有资源计数等额外功能。