面试题：进程管理：多线程环境下线程独立执行栈的资源竞争与解决方案

Question

在多线程应用程序中，线程的独立执行栈可能会引发哪些资源竞争问题？请举例说明，并阐述你会采取哪些策略来解决这些资源竞争，以确保线程安全？

Answer 1

资源竞争问题及举例

1. 数据不一致：
   • 例如有一个共享变量 count，初始值为 0。两个线程 Thread1 和 Thread2 都要对其进行加 1 操作。假设 Thread1 读取 count 的值为 0，此时线程调度切换到 Thread2，Thread2 也读取 count 的值为 0 。然后 Thread1 对 count 加 1 ，count 变为 1 ，接着 Thread2 也对 count 加 1 ，count 还是 1 ，而预期结果应该是 2 ，这就导致了数据不一致。
2. 死锁：
   • 假设有两个资源 ResourceA 和 ResourceB，Thread1 已经获取了 ResourceA，并尝试获取 ResourceB；同时 Thread2 已经获取了 ResourceB，并尝试获取 ResourceA。此时两个线程相互等待对方释放资源，形成死锁，导致程序无法继续执行。

解决策略

1. 互斥锁（Mutex）：
   • 使用互斥锁可以保证在同一时间只有一个线程能够访问共享资源。例如在上述 count 变量的例子中，可以定义一个互斥锁 mutex。当 Thread1 要对 count 进行操作时，先获取 mutex，操作完成后释放 mutex。在 Thread1 获取 mutex 期间，Thread2 无法获取 mutex，也就不能操作 count，从而避免数据不一致问题。
2. 读写锁（Read - Write Lock）：
   • 适用于读多写少的场景。例如有一个共享的数据结构，多个线程可能读取该数据结构，而只有少数线程会对其进行写操作。使用读写锁时，读操作可以并发执行，因为读操作不会修改数据，不会产生数据不一致问题。而写操作时，需要先获取写锁，此时其他读线程和写线程都不能操作，保证写操作的原子性，避免数据不一致。
3. 信号量（Semaphore）：
   • 可以控制同时访问共享资源的线程数量。例如有一个数据库连接池，连接池中的连接数量有限，为 N。可以使用信号量来控制同时使用数据库连接的线程数量不超过 N。当一个线程要获取数据库连接时，先获取信号量，如果信号量计数大于 0 ，则获取成功，信号量计数减 1 ；当线程使用完连接归还时，信号量计数加 1 。这样可以避免过多线程同时竞争有限的数据库连接资源。
4. 避免死锁的策略：
   • 破坏死锁的四个必要条件：
     • 互斥条件：尽量避免资源的独占使用，如果资源可以共享使用，则不会产生死锁。例如某些文件操作可以允许多个线程同时读。
     • 占有并等待条件：要求线程一次性获取所有需要的资源，而不是获取部分资源后再等待其他资源。例如在上述死锁例子中，如果 Thread1 和 Thread2 都尝试一次性获取 ResourceA 和 ResourceB，就不会产生死锁。
     • 不可剥夺条件：当一个线程获取了资源后，其他线程可以剥夺该线程的资源。但在实际应用中，这种方法实现起来较为复杂，可能影响程序的正确性。
     • 循环等待条件：对资源进行排序，线程按照顺序获取资源。例如对 ResourceA 和 ResourceB 进行编号，规定所有线程都先获取编号小的资源，再获取编号大的资源，这样可以避免循环等待，从而避免死锁。