交易系统开发技能之并发编程面试题

Posted 2021-12-18 BBinChina

文章目录

• 概要
• Q1 mutex 与 Binary semaphore的区别
• Q2 线程安全函数 与 可重入(re-entrant)函数的区别
• Q3 死锁 与 活锁的区别
• Q4 自旋锁

概要

交易系统开发技能系列的第二部分内容：并发编程

多进程、多线程编程是大型系统开发必不可少的技能，这部分内容涉及各种各样的锁，死锁，线程安全思考，以及生产者消费者模式：spsc、mpmc等等。

Q1 mutex 与 Binary semaphore的区别

mutex(互斥)，我们常说的锁机制，其目的是用来保护临界区资源在同一时刻只有一个操作在执行，获得锁的线程有操作权，而锁只能由拥有者释放。
Binary semaphore是Semaphore的一种，其变量值只有0或者1。最初为1，某个资源操作者通过wait将值从1变为0，调用signal时，值变为0。而调用signal由其他任何的线程或者进程执行。

mutex、binary semaphore都是用于操作临界区资源，但最大的区别在于释放者的不同，metux强调所有权，semaphore采用通知机制。

Q2 线程安全函数 与 可重入(re-entrant)函数的区别

线程安全函数在于多线程环境下执行返回结果正确，函数内数据为竞态数据，需要用同步机制保证同一时间只有一个线程在调用。

可重入函数在于函数执行过程中阻断后重新回到调用栈时，函数执行结果不变，比如递归函数。

先看以下几个列子：
1、

int tmp;
int add(int a) 
	tmp = a;
	return tmp + 10;

tmp在这里是多线程竞争资源，因为没有通过锁处理，所以其在多线程环境下不是线程安全的。
假设当前调用函数add(1),在执行tmp + 10指令的时中断去调用add(2)后回到当前调用栈，tmp变为了2，那么2 + 10变成了12，与原本应该获得的11值不符合，那么叫不可重入函数。
2、

thread_local int tmp;
int add(int a) 
	tmp = a;
	return tmp + 1;

使用线程变量保证不同线程执行结果一致，为线程安全。
但依然不可重入

3、

int tmp;
int add(int a) 
	tmp = a;
	return a + 1;

线程不安全
可重入，因为函数调用计算结果为a+1，a在回到原调用栈时不变

4、

int add(int a) 
	return a + 10;

线程安全，可重入

Q3 死锁 与 活锁的区别

死锁的概念比较常见，比如两个正在操作竞态数据的任务相互依赖，比如 线程A1 获取到了锁L1 等待 锁L2的释放，而持有锁L2的线程A2正在等待A1释放锁L1，彼此都阻塞住，那么即形成了死锁的情况，除了重启进程清除指令，死锁永远无法解开。

为了解锁上述的死锁问题，我们可以通过尝试获得锁的方式，比如上述问题：A1尝试获取L2的锁，当获取不到时，可以回滚释放L1，当A2尝试获取L1成功时，A2可以正常执行，这样就解决了死锁。但是有可能A2在尝试获取L1时没成功，而A1也回滚了，那么两个任务都得不到执行，再重复进入尝试获取锁的状态，尽管没有阻塞，但也形同"阻塞"，这就是 活锁，只不过它可能某个cpu执行周期时尝试锁的时候错开了。

解决活锁的方式可以通过线程在尝试获取锁时设置一个超时随机值。

Q4 自旋锁

当一个线程在等待mutex时，系统会保存线程上下文之后是线程进入睡眠状态，当锁被释放时，唤醒睡眠中的等待线程。对于追求高性能来说，线程阻塞唤醒的开销是可优化（可压榨）的点，为了减少这个开销，我们可以采用自旋锁的方式，在线程上一直尝试获取锁。但同时也引入了一个问题，一直尝试占用了cpu，考虑使用自旋锁应该是锁路径极短的情况下，避免cpu空转。