软考高级架构师；线程的同步和互斥、临界区、临界资源、信号量、PV 操作概念和例题
软考高级架构师；线程的同步和互斥、临界区、临界资源、信号量、PV 操作概念和例题
作者：明明如月学长， CSDN 博客专家，大厂高级 Java 工程师，《性能优化方法论》作者、《解锁大厂思维：剖析《阿里巴巴Java开发手册》》、《再学经典：《Effective Java》独家解析》专栏作者。
一、AI 讲解
在并发编程中，为了保证数据的一致性和完整性，需要使用特定的机制来控制多个线程对共享资源的访问。这里主要介绍几个相关的概念：线程的同步和互斥、临界区、临界资源、信号量、以及PV操作。
概念 | 解释 |
|---|---|
线程的同步和互斥 | 线程同步是指在多线程环境下，为了让线程之间能按照一定顺序执行，需要线程间进行协调，使得某个线程完成了必须的操作后，其他线程才能执行。互斥是同步的一种特殊情况，用来保证任一时刻只能有一个线程访问某个特定的资源。 |
临界区 | 临界区是指一个访问共享资源的代码区域，这些共享资源一次只能由一个线程访问，否则会导致数据不一致的问题。 |
临界资源 | 临界资源是指在并发编程中，多个线程或进程共同访问的资源，但是每次只能有一个线程或进程使用，以避免冲突。 |
信号量 | 信号量是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步机制，可以简单理解为一个计数器，用来控制可以同时访问共享资源的最大线程数。信号量的值如果大于0，表示当前有资源可用；如果等于0，表示没有资源可用，线程必须等待。 |
PV操作 | PV操作是信号量操作中的两个基本操作，P操作（Proberen试图获取资源）和V操作（Verhogen释放资源）。P操作主要用于请求一个资源，会使信号量的值减1；V操作用于释放一个资源，会使信号量的值加1。 |
例如，在银行系统中，账户余额是一个临界资源，多个线线程（如转账操作）可能会同时操作同一个账户余额。为了避免错误（比如两个线程同时取款导致余额被错误计算），我们可以设定一个互斥锁（或信号量）来保证任一时刻只有一个线程可以操作账户余额，这样就可以通过线程同步和互斥机制来保证账户余额的正确性。
二、AI 出题
（1）题目
- 在多线程程序中，为了防止多个线程同时修改同一份数据造成数据不一致的问题，应当使用：
- A. 信号量
- B. 临界区
- C. 分布式数据库
- D. 微服务架构
- 下列关于临界资源的说法正确的是：
- A. 临界资源可以被多个线程同时访问
- B. 临界资源一次只允许一个线程访问
- C. 所有的资源都是临界资源
- D. 临界资源的访问无需加锁
- P操作和V操作分别代表：
- A. 增加资源和减少资源
- B. 减少资源和增加资源
- C. 请求资源和释放资源
- D. 释放资源和请求资源
- 信号量的初值设定为1时，其作用是：
- A. 允许一个线程同时访问
- B. 允许两个线程同时访问
- C. 不允许任何线程访问
- D. 允许多个线程同时访问
- 以下哪项不是实现线程同步的机制？
- A. 互斥量（Mutex）
- B. 条件变量
- C. 全局变量
- D. 读写锁（RWLock）
- 临界区的主要作用是什么？
- A. 增加程序的运行速度
- B. 保护临界资源不被并发访问
- C. 分配程序运行所需的资源
- D. 提高CPU的利用率
- 信号量的PV操作中，当执行一次P操作后，信号量的值会怎样变化？
- A. 增加1
- B. 减少1
- C. 不变
- D. 先减少后增加
- 如果一个线程进入了临界区，这时候其他线程应该怎么做？
- A. 立即进入临界区
- B. 等待直到临界区被释放
- C. 终止执行
- D. 重新启动程序
- 使用互斥量（Mutex）的主要目的是：
- A. 提高程序的执行效率
- B. 防止数据竞争和保证数据的一致性
- C. 分布式计算
- D. 实现程序的并行计算
- 在使用信号量控制资源访问的情况下，如果一个线程完成了对资源的操作，它应该执行：
- A. P操作
- B. V操作
- C. 无操作
- D. 重启信号量
（2）答案和解析
- 答案：B。
- 解析：临界区是一种用于多线程程序中防止数据不一致的机制，通过确保一次只有一个线
程能够访问共享数据，从而保护数据不被并发修改。
- 答案：B。
- 解析：临界资源是指那些不能被多个线程同时访问的共享资源，以防数据不一致或冲突，因此B选项正确。
- 答案：C。
- 解析：P操作（Proberen）意味着尝试获取资源，会将信号量减1，代表请求资源；V操作（Verhogen）意味着释放资源，会将信号量加1，代表释放资源。
- 答案：A。
- 解析：当信号量的初值设定为1时，其作用是实现互斥，即一次只允许一个线程进入临界区访问共享资源。
- 答案：C。
- 解析：全局变量本身并不能实现线程同步，反而如果不加以控制，全局变量的使用可能会引起数据不一致的问题。
- 答案：B。
- 解析：临界区的主要作用是保护临界资源，确保在任一时刻，临界资源只被一个线程访问，从而避免并发访问导致的数据不一致问题。
- 答案：B。
- 解析：P操作代表尝试获取一个资源，执行一次P操作后，信号量的值会减少1，表示已有一个线程占用了一个资源。
- 答案：B。
- 解析：如果一个线程进入了临界区，其他线程必须等待直到临界区被释放，这是为了保证数据的一致性和完整性。
- 答案：B。
- 解析：互斥量（Mutex）的主要目的是防止数据竞争，保证在任一时刻只有一个线程可以访问某个特定的资源，从而保证数据的一致性和完整性。
- 答案：B。
- 解析：当线程完成了对资源的操作，它应该执行V操作来释放资源，增加信号量的值，表示资源现在可用，其他等待的线程可以尝试访问这个资源。
三、真题
腾讯云开发者
