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持续总结中!2024年面试必问 20 道并发编程面试题(五)

时间:2024-06-14 21:00:45浏览次数:18  
标签:重入 面试题 必问 20 变量 获取 线程 条件 唤醒

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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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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:

  • 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。

  • 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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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:

  • Javajava.util.concurrent.locks.ReentrantLock是一个可重入的互斥锁。
  • C++std::recursive_mutexstd::recursive_timed_mutex在C++11及以后的版本中提供了可重入锁的功能。
  • .NETSystem.Threading.MonitorSystem.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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。
  • Javajava.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_waitpthread_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。

标签:重入,面试题,必问,20,变量,获取,线程,条件,唤醒
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