面试题：Python多线程资源竞争下如何正确使用锁机制

Question

在Python多线程中，为解决资源竞争常使用锁机制。请详细阐述如何正确地在代码中使用`threading.Lock`来避免资源竞争，并且说明死锁产生的原因以及如何预防死锁。

Answer 1

使用threading.Lock避免资源竞争

1. 创建锁对象：在需要保护共享资源的代码部分，首先要创建一个Lock对象。例如：

import threading

lock = threading.Lock()

2. 使用锁来保护共享资源：在访问共享资源之前，调用acquire()方法获取锁，访问完成后，调用release()方法释放锁。

shared_resource = 0

def increment():
    global shared_resource
    lock.acquire()
    try:
        shared_resource += 1
    finally:
        lock.release()

3. 使用with语句（推荐）：可以使用with语句来自动管理锁的获取和释放，这样代码更简洁，且能确保锁一定会被释放，即使在代码块中发生异常。

def increment():
    global shared_resource
    with lock:
        shared_resource += 1

死锁产生的原因

1. 相互等待：当两个或多个线程互相持有对方需要的锁，并且都在等待对方释放锁时，就会发生死锁。例如，线程A持有锁1并等待锁2，而线程B持有锁2并等待锁1。
2. 资源分配不当：如果线程获取锁的顺序不一致，也容易导致死锁。比如在一个复杂的系统中，不同线程获取锁的顺序没有统一规划。

预防死锁

1. 统一加锁顺序：所有线程按照相同的顺序获取锁。例如，如果有锁A和锁B，所有线程都先获取锁A，再获取锁B。这样可以避免循环等待的情况。
2. 使用超时机制：在获取锁时设置超时时间，如果在规定时间内没有获取到锁，就放弃获取并进行相应处理（例如，释放已经获取的锁，等待一段时间后重试）。threading.Lock本身没有直接支持超时，但threading.RLock（可重入锁）的acquire方法有timeout参数。可以使用try - except语句来处理获取锁超时的情况。

lock = threading.RLock()
if lock.acquire(timeout=1):  # 尝试获取锁，超时时间1秒
    try:
        # 访问共享资源
        pass
    finally:
        lock.release()
else:
    # 处理获取锁失败的情况
    pass

3. 死锁检测：使用工具如DeadlockDetector（可通过第三方库实现）来检测程序运行时是否发生死锁。这种方法是事后检测，发现死锁后可以分析原因并修改代码避免再次发生。