面试题：并发与同步之互斥锁在多线程场景下的应用

Question

在一个多线程程序中，多个线程需要访问共享资源。请描述如何使用互斥锁来确保共享资源的安全访问，并编写一段简单的伪代码实现。同时说明如果不使用互斥锁可能会出现什么问题。

Answer 1

互斥锁确保共享资源安全访问的描述

互斥锁（Mutex，即Mutual Exclusion的缩写）是一种特殊的二元信号量，它只有两种状态：锁定（locked）和解锁（unlocked）。当一个线程想要访问共享资源时，它首先需要获取互斥锁。如果互斥锁处于解锁状态，该线程可以获取锁并将其锁定，然后安全地访问共享资源。当访问完成后，线程必须释放互斥锁，将其状态变回解锁，以便其他线程可以获取锁并访问共享资源。这样可以保证在同一时刻，只有一个线程能够访问共享资源，避免数据竞争等问题。

伪代码实现

// 定义共享资源
shared_resource = 0
// 定义互斥锁
mutex = create_mutex()

// 线程函数
thread_function() {
    // 获取互斥锁
    lock(mutex)
    // 访问共享资源
    shared_resource = shared_resource + 1
    // 释放互斥锁
    unlock(mutex)
}

不使用互斥锁可能出现的问题

1. 数据竞争（Data Race）：多个线程同时访问和修改共享资源，导致最终结果依赖于线程执行的顺序，出现不可预测的结果。例如，两个线程同时读取共享资源的值为10，然后各自加1，最后共享资源的值应该是12，但由于并发执行，可能最终结果为11。
2. 竞态条件（Race Condition）：程序的行为依赖于多个线程的相对执行顺序，导致程序出现错误或异常行为。比如多个线程同时向共享的文件写入数据，可能导致文件内容混乱。
3. 不一致状态（Inconsistent State）：共享资源可能会处于不一致的状态，因为不同线程的部分操作可能被交错执行。例如，一个线程在更新一个复杂数据结构的部分成员时，另一个线程同时访问这个数据结构，可能会看到不完整或错误的状态。