面试题：Python中如何使用信号量（Semaphore）预防多线程死锁？

Question

假设你正在开发一个Python多线程应用，其中多个线程需要访问有限数量的资源。请详细说明如何利用信号量（Semaphore）来预防死锁，并且给出具体的代码实现，代码需要展示多个线程对资源的竞争访问以及信号量的控制逻辑。

Answer 1

1. 信号量预防死锁原理

在多线程编程中，死锁通常发生在多个线程互相等待对方释放资源的情况下。信号量可以用来控制同时访问资源的线程数量。通过合理分配信号量，使得线程在获取资源前先获取信号量，使用完资源后释放信号量，避免多个线程同时获取所有资源，从而预防死锁。

2. 代码实现

import threading
import time


# 假设这是有限数量的资源
resource_count = 3
# 创建信号量，初始值为资源数量
semaphore = threading.Semaphore(resource_count)


def worker(worker_id):
    print(f"Worker {worker_id} 尝试获取资源")
    # 获取信号量，如果信号量为0，线程会阻塞直到有信号量可用
    semaphore.acquire()
    try:
        print(f"Worker {worker_id} 获取到资源，开始工作")
        # 模拟工作
        time.sleep(2)
        print(f"Worker {worker_id} 工作完成，释放资源")
    finally:
        # 释放信号量，让其他线程有机会获取
        semaphore.release()


# 创建多个线程
threads = []
for i in range(5):
    t = threading.Thread(target=worker, args=(i,))
    threads.append(t)
    t.start()


# 等待所有线程完成
for t in threads:
    t.join()

3. 代码解释

1. 信号量创建：semaphore = threading.Semaphore(resource_count) 创建了一个信号量对象，初始值为 resource_count，即资源的数量。
2. 获取信号量：在 worker 函数中，semaphore.acquire() 用于获取信号量。如果当前信号量的值大于0，信号量的值减1，线程继续执行；如果信号量的值为0，线程会被阻塞，直到有其他线程释放信号量。
3. 释放信号量：在 try - finally 块中，semaphore.release() 用于释放信号量，将信号量的值加1，让其他线程有机会获取信号量。
4. 多线程创建与启动：通过循环创建多个线程，并启动它们。每个线程都会尝试获取信号量来访问资源，从而展示了多个线程对资源的竞争访问以及信号量的控制逻辑。