面试题：C++ 类成员函数作为回调函数的内存管理与多线程问题

内存管理和线程安全问题分析

内存管理问题
- 对象生命周期管理：当类对象作为回调函数的载体时，如果对象在回调函数执行前被释放，会导致悬空指针问题。例如，在多线程环境下，一个线程创建了 ThreadSafeClass 对象并注册其成员函数作为回调，另一个线程可能在回调函数执行前意外地删除了该对象。
- 资源竞争：如果类成员函数在回调中访问和修改类的成员变量（这些变量可能是动态分配的资源，如堆上的内存、文件句柄等），不同线程同时操作可能导致资源的不一致访问，进而出现内存泄漏或数据损坏。
线程安全问题
- 数据竞争：多个线程同时调用 threadSafeCallback 成员函数，如果该函数访问和修改共享数据（类的成员变量），就会发生数据竞争。例如，一个线程读取成员变量，同时另一个线程修改它，可能导致读取到不一致的数据。
- 竞态条件：当 threadSafeCallback 的执行逻辑依赖于共享数据的状态，并且多个线程可以同时改变这个状态时，可能出现竞态条件。例如，一个线程根据成员变量 flag 的值决定是否执行某些操作，另一个线程在该线程检查 flag 后但操作执行前改变了 flag 的值，可能导致程序出现错误行为。

解决方案

内存管理解决方案
- 智能指针：使用智能指针（如 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr）来管理 ThreadSafeClass 对象的生命周期。std::shared_ptr 可以确保对象在所有引用都释放后自动销毁，避免悬空指针问题。
- 对象池：可以使用对象池技术，预先分配一定数量的 ThreadSafeClass 对象，回调函数从对象池中获取对象，使用完毕后归还对象池，这样可以更好地控制对象的生命周期。
线程安全解决方案
- 互斥锁：在 ThreadSafeClass 中使用互斥锁（如 std::mutex）来保护共享数据。在 threadSafeCallback 函数中，在访问和修改共享数据前锁定互斥锁，操作完成后解锁。
- 读写锁：如果共享数据的读取操作远多于写入操作，可以使用读写锁（如 std::shared_mutex）。多个线程可以同时读取共享数据，但写入操作需要独占锁，以确保数据一致性。

示例代码

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

class ThreadSafeClass {
public:
    ThreadSafeClass() : data(0) {}
    void threadSafeCallback() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        // 模拟一些操作
        ++data;
        std::cout << "Callback executed, data: " << data << std::endl;
    }
private:
    int data;
    std::mutex mutex_;
};

void workerFunction(std::shared_ptr<ThreadSafeClass> obj) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        obj->threadSafeCallback();
    }
}

int main() {
    std::shared_ptr<ThreadSafeClass> obj = std::make_shared<ThreadSafeClass>();
    std::thread t1(workerFunction, obj);
    std::thread t2(workerFunction, obj);

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

    return 0;
}

在上述代码中：

使用 std::shared_ptr 管理 ThreadSafeClass 对象的生命周期，确保对象在所有线程使用完毕后正确销毁。
在 ThreadSafeClass 中使用 std::mutex 和 std::lock_guard 来保证 threadSafeCallback 函数中对共享数据 data 的线程安全访问。多个线程可以同时调用 threadSafeCallback，但对 data 的修改是线程安全的。

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