上一篇地址:持续总结中!2024年面试必问 20 道并发编程面试题(四)-CSDN博客
九、什么是可重入锁(Reentrant Lock)?
可重入锁,也称作递归锁或再入锁,是一种同步机制,用于在多线程编程中控制对共享资源的访问。这种锁允许同一个线程多次获取同一个锁,而不会导致死锁。可重入锁通常由编程语言或其标准库提供。
可重入锁的特点:
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可重入性:同一个线程可以多次获取同一个锁,每次获取锁之前不需要先释放它。线程在第一次获取锁后,如果再次尝试获取同一个锁,锁的计数器会增加,而不是阻塞线程。
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锁计数器:可重入锁内部通常有一个计数器,用来记录同一个线程获取锁的次数。每次线程成功获取锁时,计数器增加;每次释放锁时,计数器减少。只有当计数器归零时,其他线程才有机会获取该锁。
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公平性:一些可重入锁实现提供了公平性选项,即按照线程请求锁的顺序来分配锁,而不是优先满足当前已经持有其他锁的线程。
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尝试获取:可重入锁通常提供了尝试获取锁的方法,如
tryLock()
,允许线程在无法立即获取锁时不阻塞,而是可以立即返回一个布尔值,指示是否成功获取了锁。 -
超时获取:部分实现还允许线程在指定的超时时间内尝试获取锁,如果超时仍未获取到锁,则放弃获取。
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条件变量支持:可重入锁通常与条件变量一起使用,允许线程在某些条件不满足时释放锁并等待,直到条件满足时被唤醒。
可重入锁与普通锁的区别:
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普通锁:当一个线程持有锁时,其他线程必须等待直到锁被释放。如果持有锁的线程再次尝试获取同一个锁,它会被阻塞,直到它释放并重新获取锁。
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可重入锁:允许同一个线程多次获取同一个锁,而不会被阻塞。这使得在递归或嵌套调用的情况下,线程可以安全地持有锁。
可重入锁的应用场景:
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递归函数:当递归函数需要同步访问共享资源时,可重入锁可以确保线程在递归调用中不会阻塞自己。
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复杂数据结构:在实现复杂的数据结构(如线程安全的栈、队列等)时,可重入锁可以提供必要的同步机制。
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避免死锁:在某些情况下,线程可能需要多次获取同一个锁,使用可重入锁可以避免因递归锁获取导致的死锁。
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提高性能:在某些情况下,可重入锁的性能可能优于普通锁,因为它减少了线程状态的切换。
实现可重入锁:
不同的编程语言和库提供了不同的可重入锁实现。例如:
- Java:
java.util.concurrent.locks.ReentrantLock
是一个可重入的互斥锁。 - C++:
std::recursive_mutex
和std::recursive_timed_mutex
在C++11及以后的版本中提供了可重入锁的功能。 - .NET:
System.Threading.Monitor
和System.Threading.Mutex
可以用于实现可重入锁的行为。
使用可重入锁时,开发者需要注意确保在所有代码路径中正确地释放锁,以避免死锁或资源泄露。
十、请解释什么是条件变量。
条件变量是一种同步机制,用于多线程编程中,它允许线程在某些条件不满足时挂起(等待),并在条件满足时被其他线程唤醒。条件变量通常与互斥锁(mutex)一起使用,以确保在检查条件、挂起和唤醒过程中数据的一致性和线程安全。
条件变量的主要特点:
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等待与唤醒:线程可以使用条件变量来挂起,直到满足某个特定的条件。其他线程在适当的时候可以唤醒等待的线程。
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与互斥锁配合使用:在使用条件变量之前,线程必须先获取一个互斥锁。这保证了在检查条件和挂起之前,共享数据不会被其他线程修改。
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避免竞态条件:条件变量与互斥锁的结合使用可以避免竞态条件,确保数据的一致性。
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支持多个等待线程:一个条件变量可以有多个线程等待,当条件满足时,这些线程可以被唤醒。
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可重入性:条件变量的唤醒操作不会影响互斥锁的可重入性。即使唤醒的线程再次获取了同一个互斥锁,它也可以正常地继续执行。
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超时机制:一些条件变量的实现支持超时等待,即线程在等待一定时间后如果没有被唤醒,可以自动继续执行。
条件变量的典型使用场景:
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生产者-消费者问题:在生产者-消费者模型中,条件变量可以用于同步生产者和消费者的行为。当缓冲区满时,消费者将等待;当缓冲区空时,生产者将等待。
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任务调度:在任务调度系统中,条件变量可以用于等待任务的可用性或资源的释放。
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线程间通信:条件变量可以作为线程间通信的一种方式,当一个线程需要通知其他线程某些事件发生时使用。
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避免忙等待:条件变量可以减少线程的忙等待(busy-waiting),提高系统的整体效率。
条件变量的基本操作:
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等待(Wait):线程在检查条件不满足时,释放互斥锁并挂起等待。挂起期间,条件变量会记录这个等待的线程。
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唤醒(Signal):当条件满足时,一个线程可以唤醒等待在条件变量上的一个或多个线程。通常,唤醒操作会尝试获取互斥锁。
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超时等待:一些条件变量实现允许线程在指定的超时时间内等待,如果超时未被唤醒,则线程可以继续执行。
实现条件变量:
不同的编程语言和库提供了不同的条件变量实现。例如:
- C++:
std::condition_variable
在C++11及以后的版本中提供了条件变量的支持。 - Java:
java.util.concurrent.locks.Condition
接口提供了条件变量的功能,与ReentrantLock
一起使用。 - POSIX线程库:提供了
pthread_cond_wait
和pthread_cond_signal
等函数来实现条件变量。
使用条件变量时,开发者需要注意正确地管理互斥锁,确保在等待和唤醒过程中数据的一致性和避免死锁。此外,还需要合理地设计唤醒逻辑,以确保所有等待的线程都能在条件满足时被正确唤醒。
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