面试题：网络编程下多线程与多进程对数据库并发读写的控制策略

Question

当存在大量客户端通过网络并发请求对数据库进行读写操作时，使用多线程和多进程模型分别应如何设计有效的并发控制机制，以确保数据的一致性和完整性，详细说明设计思路及涉及到的关键技术点。

Answer 1

多线程模型

1. 设计思路：
   • 数据库连接池：创建一个数据库连接池，多线程从连接池中获取连接来执行数据库操作。这样可以避免频繁创建和销毁数据库连接带来的开销。
   • 锁机制：为了保证数据一致性，对涉及到读写的关键数据区域使用锁进行保护。例如，对于写操作，采用互斥锁（Mutex），在写操作前获取锁，操作完成后释放锁，以防止多个线程同时写导致数据不一致。对于读操作，可以使用读写锁（Read - Write Lock），允许多个线程同时读，但当有写操作时，读操作被阻塞，直到写操作完成。
   • 事务管理：将相关的数据库操作封装在事务中，确保要么所有操作都成功提交，要么在出现错误时回滚。每个线程在执行数据库操作时开启一个事务，在操作完成后根据执行结果决定提交或回滚事务。
2. 关键技术点：
   • 线程同步：正确使用互斥锁、读写锁等同步原语，避免死锁。死锁的避免需要遵循一定的原则，如按顺序获取锁等。同时要注意锁的粒度，锁粒度太大会导致并发性能降低，锁粒度太小可能导致数据不一致。
   • 数据库连接管理：连接池的实现要考虑连接的创建、获取、归还以及连接的最大最小数量等参数设置。连接池需要处理好线程安全问题，防止多个线程同时获取和释放连接时出现错误。
   • 事务隔离级别：根据业务需求选择合适的事务隔离级别，如读未提交（Read Uncommitted）、读已提交（Read Committed）、可重复读（Repeatable Read）、串行化（Serializable）等。不同的隔离级别在并发性能和数据一致性之间有不同的权衡。

多进程模型

1. 设计思路：
   • 进程间通信（IPC）：由于每个进程有独立的地址空间，进程之间需要通过IPC机制来共享数据和传递信息。可以使用消息队列来传递数据库操作请求和结果。客户端进程将数据库操作请求发送到消息队列，服务端进程从消息队列中取出请求并执行数据库操作，然后将结果返回给消息队列，客户端进程再从消息队列获取结果。
   • 共享内存：对于一些需要共享的数据，如数据库的元数据等，可以使用共享内存。在使用共享内存时，需要配合信号量来进行同步，确保多个进程对共享内存的访问是安全的。
   • 进程池：创建一个进程池，当有客户端请求时，从进程池中分配一个进程来处理请求。进程池可以控制同时运行的进程数量，避免过多进程导致系统资源耗尽。
2. 关键技术点：
   • IPC实现：消息队列的设计要考虑消息的格式、大小限制、消息队列的容量等。同时要处理好消息队列的阻塞和非阻塞模式，以满足不同的业务需求。信号量的使用要准确控制对共享内存的访问，避免数据竞争。
   • 进程管理：进程池的实现需要处理好进程的创建、销毁、任务分配等。要注意进程间的负载均衡，避免某些进程负载过重，而其他进程闲置。同时，要处理好进程崩溃等异常情况，如进行进程的自动重启等。
   • 数据库连接：每个进程需要独立管理自己的数据库连接，要避免不同进程之间的连接冲突。可以通过配置文件等方式为每个进程分配独立的数据库连接参数。