面试题：Python字符串前缀处理在高并发环境下的防御性编程策略

Question

在一个高并发的Python应用程序中，多个线程会频繁处理以特定前缀 'thread_safe_prefix_' 开头的字符串。请设计一套完整的防御性编程方案，包括但不限于如何防止字符串前缀处理过程中的数据竞争、如何确保在高并发场景下函数对于异常输入（如前缀被误修改、字符串内容损坏等）的鲁棒性。请详细说明方案的架构、关键技术点以及代码示例（可以使用Python的多线程库或异步库辅助说明）。

Answer 1

方案架构

1. 数据竞争防护：使用锁机制（如threading.Lock）来确保同一时间只有一个线程可以处理以特定前缀开头的字符串，防止数据竞争。
2. 异常输入处理：在处理字符串之前，对输入进行严格的检查，确保前缀正确且字符串内容完整。如果发现异常输入，抛出合适的异常并进行相应的处理。

关键技术点

1. 锁机制：threading.Lock对象用于线程同步，acquire方法获取锁，release方法释放锁。
2. 输入验证：使用字符串操作方法（如startswith）验证前缀，同时可以通过计算校验和（如hashlib库）等方式验证字符串内容完整性。

代码示例（使用多线程库）

import threading
import hashlib


lock = threading.Lock()
PREFIX = 'thread_safe_prefix_'


def process_string(s):
    if not s.startswith(PREFIX):
        raise ValueError('Invalid prefix')
    # 简单示例，假设字符串后半部分不能为空
    if len(s) <= len(PREFIX):
        raise ValueError('String content is damaged')
    # 验证字符串内容完整性，这里以计算MD5校验和为例
    expected_hash = hashlib.md5(s[len(PREFIX):].encode()).hexdigest()
    # 模拟实际计算得到的校验和
    actual_hash = hashlib.md5(s[len(PREFIX):].encode()).hexdigest()
    if expected_hash != actual_hash:
        raise ValueError('String content is damaged')
    with lock:
        # 实际处理逻辑
        print(f'Processing {s}')


def worker(s):
    try:
        process_string(s)
    except ValueError as e:
        print(f'Error: {e}')


# 模拟多个线程
threads = []
strings = ['thread_safe_prefix_hello', 'thread_safe_prefix_world', 'invalid_prefix_hello']
for s in strings:
    t = threading.Thread(target=worker, args=(s,))
    threads.append(t)
    t.start()

for t in threads:
    t.join()

代码示例（使用异步库asyncio）

import asyncio
import hashlib


PREFIX = 'thread_safe_prefix_'


async def process_string(s):
    if not s.startswith(PREFIX):
        raise ValueError('Invalid prefix')
    # 简单示例，假设字符串后半部分不能为空
    if len(s) <= len(PREFIX):
        raise ValueError('String content is damaged')
    # 验证字符串内容完整性，这里以计算MD5校验和为例
    expected_hash = hashlib.md5(s[len(PREFIX):].encode()).hexdigest()
    # 模拟实际计算得到的校验和
    actual_hash = hashlib.md5(s[len(PREFIX):].encode()).hexdigest()
    if expected_hash != actual_hash:
        raise ValueError('String content is damaged')
    # 实际处理逻辑
    print(f'Processing {s}')


async def worker(s):
    try:
        await process_string(s)
    except ValueError as e:
        print(f'Error: {e}')


async def main():
    strings = ['thread_safe_prefix_hello', 'thread_safe_prefix_world', 'invalid_prefix_hello']
    tasks = [worker(s) for s in strings]
    await asyncio.gather(*tasks)


if __name__ == '__main__':
    asyncio.run(main())