面试题：Python Thread类中的锁机制应用

Question

在使用Python threading模块的Thread类创建多线程程序时，常常会遇到资源竞争问题。请详细阐述如何使用锁（Lock）机制来解决这个问题，并以一个共享变量的读写操作为例编写代码展示其应用，同时解释死锁产生的原因以及如何避免死锁。

Answer 1

锁（Lock）机制解决资源竞争问题

在多线程编程中，当多个线程同时访问和修改共享资源时，会导致数据不一致等资源竞争问题。锁机制通过确保在同一时间只有一个线程可以访问共享资源，来解决这个问题。

共享变量读写操作示例代码

import threading

# 共享变量
shared_variable = 0
# 创建锁对象
lock = threading.Lock()


def increment():
    global shared_variable
    for _ in range(100000):
        # 获取锁
        lock.acquire()
        try:
            shared_variable += 1
        finally:
            # 释放锁
            lock.release()


def decrement():
    global shared_variable
    for _ in range(100000):
        lock.acquire()
        try:
            shared_variable -= 1
        finally:
            lock.release()


if __name__ == "__main__":
    t1 = threading.Thread(target=increment)
    t2 = threading.Thread(target=decrement)

    t1.start()
    t2.start()

    t1.join()
    t2.join()

    print(f"最终共享变量的值: {shared_variable}")

死锁产生的原因

死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放锁，从而导致所有线程都无法继续执行的情况。通常发生在以下场景：

1. 资源竞争：多个线程竞争多个资源，并且获取资源的顺序不一致。
2. 循环依赖：线程A持有资源R1并等待资源R2，而线程B持有资源R2并等待资源R1，形成循环等待。

避免死锁的方法

1. 按顺序获取锁：所有线程按照相同的顺序获取锁，避免循环依赖。
2. 使用超时：在获取锁时设置超时时间，如果在规定时间内无法获取锁，则放弃并进行其他操作。
3. 资源分配图算法：使用如银行家算法等资源分配算法，提前检测是否会发生死锁。
4. 减少锁的持有时间：尽量缩短线程持有锁的时间，降低死锁发生的可能性。