面试题：进程管理：多线程程序中共享资源引发的问题及解决方案

可能出现的问题

竞态条件（Race Condition）：多个线程同时访问和修改共享资源，由于执行顺序的不确定性，导致最终结果依赖于线程执行的顺序，产生不可预测的错误。
死锁（Deadlock）：两个或多个线程相互等待对方释放资源，形成一种僵持状态，导致所有相关线程都无法继续执行。
饥饿（Starvation）：某些线程由于优先级过低，长时间无法获得CPU资源，从而一直无法执行。

常见解决技术手段及其原理

互斥锁（Mutex）
- 原理：通过一个二元信号量（0或1）来控制对共享资源的访问。当一个线程获取到互斥锁（信号量设为0），其他线程就无法获取，直到该线程释放互斥锁（信号量设为1）。这样保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源，避免竞态条件。
- 示例代码（以C++为例）：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;
int shared_variable = 0;

void increment() {
    mtx.lock();
    shared_variable++;
    mtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Final value: " << shared_variable << std::endl;
    return 0;
}

读写锁（Read - Write Lock）
- 原理：区分读操作和写操作。允许多个线程同时进行读操作，因为读操作不会修改共享资源，不会产生竞态条件。但是写操作时，为了保证数据一致性，需要独占资源，不允许其他读写操作。读写锁通过维护一个读计数和一个写标志来实现这种控制。
- 示例代码（以Java为例）：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

class SharedResource {
    private int data;
    private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public int read() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            return data;
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void write(int newData) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            data = newData;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

条件变量（Condition Variable）
- 原理：条件变量通常和互斥锁一起使用。线程可以在条件变量上等待某个条件满足，当另一个线程改变了相关条件后，通过条件变量通知等待的线程。等待线程被唤醒后，重新获取互斥锁，检查条件是否真的满足，然后进行相应操作。这有助于解决线程间的同步问题，避免无效的循环等待。
- 示例代码（以Python为例）：

import threading

condition = threading.Condition()
shared_state = 0

def consumer():
    global shared_state
    with condition:
        while shared_state == 0:
            condition.wait()
        print(f"Consumer got: {shared_state}")

def producer():
    global shared_state
    with condition:
        shared_state = 42
        condition.notify()

t1 = threading.Thread(target=consumer)
t2 = threading.Thread(target=producer)

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

信号量（Semaphore）
- 原理：信号量维护一个计数器，线程获取信号量时，计数器减1，当计数器为0时，其他线程无法获取信号量。释放信号量时，计数器加1。它可以控制同时访问共享资源的线程数量，不仅可以用于互斥（计数器设为1时等同于互斥锁），还可以用于限制并发访问数量。
- 示例代码（以C#为例）：

using System;
using System.Threading;

class Program {
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(2, 2); // 初始计数为2，最大计数为2
    static void Worker() {
        semaphore.WaitOne();
        try {
            Console.WriteLine("Thread {0} entered the critical section.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            Thread.Sleep(1000);
        } finally {
            semaphore.Release();
            Console.WriteLine("Thread {0} left the critical section.", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
        }
    }

    static void Main() {
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            new Thread(Worker).Start();
        }
        Console.ReadKey();
    }
}

避免死锁的策略
- 破坏死锁的四个必要条件：
  - 互斥条件：尽量避免独占资源，如果资源可以共享使用，就不采用独占方式。
  - 占有并等待条件：要求线程一次性获取所有需要的资源，而不是逐步获取，避免持有部分资源时等待其他资源。
  - 不可剥夺条件：允许操作系统或其他机制剥夺线程持有的资源，例如当检测到死锁时，强制某个线程释放资源。
  - 循环等待条件：对资源进行排序，线程按照固定顺序获取资源，避免形成循环等待的情况。
- 死锁检测与恢复：通过记录线程和资源的使用关系，定期检测是否存在死锁。如果检测到死锁，可以选择终止一个或多个线程来打破死锁，然后尝试恢复系统状态。
避免饥饿的策略
- 动态优先级调整：根据线程等待时间动态调整线程优先级，等待时间越长，优先级越高，确保低优先级线程不会长时间得不到执行机会。
- 公平调度算法：采用公平的调度算法，如时间片轮转调度算法，每个线程轮流获得相同的CPU时间片，避免某些线程被长期忽略。

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