面试题：C语言结构体共享内存复杂释放场景

Question

在一个多线程环境下，多个线程共享一个结构体，结构体内部包含多级指针（如结构体中包含指向另一个结构体的指针，且该内部结构体也有动态分配的内存）。假设共享内存使用完后要释放，描述如何设计一个安全且高效的机制，利用free函数释放共享内存中的结构体及其所有动态分配的内存，同时要考虑线程同步问题，防止出现竞态条件导致内存释放错误。

Answer 1

1. 设计思路：
   • 使用互斥锁（Mutex）来保护共享结构体的访问和释放操作，防止竞态条件。
   • 对于多级指针的结构体，需要设计递归或迭代的方式来释放所有动态分配的内存。
2. 具体实现（以C语言为例）：
   • 定义结构体和互斥锁：

#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

// 假设内部结构体
typedef struct Inner {
    int* data;
    // 其他成员
} Inner;

// 外部结构体
typedef struct Outer {
    Inner* inner;
    // 其他成员
} Outer;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

• 释放内部结构体内存的函数：

void freeInner(Inner* inner) {
    if (inner) {
        if (inner->data) {
            free(inner->data);
        }
        free(inner);
    }
}

• 释放外部结构体内存的函数：

void freeOuter(Outer* outer) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (outer) {
        if (outer->inner) {
            freeInner(outer->inner);
        }
        free(outer);
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

3. 在多线程中的使用：
   • 在多线程环境下，当需要释放共享的Outer结构体时，调用freeOuter函数。这样可以保证在释放内存时，通过互斥锁避免多个线程同时操作共享结构体，导致内存释放错误。同时，通过递归的方式正确释放了多级指针所指向的动态分配内存。

在其他编程语言如C++中，也可以使用类似的机制，如C++的std::mutex和智能指针（std::unique_ptr等）来管理内存，在释放时结合互斥锁确保线程安全。例如：

#include <mutex>
#include <memory>

// 假设内部结构体
struct Inner {
    std::unique_ptr<int[]> data;
    // 其他成员
};

// 外部结构体
struct Outer {
    std::unique_ptr<Inner> inner;
    // 其他成员
};

std::mutex outerMutex;

void freeOuter(std::unique_ptr<Outer>& outer) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(outerMutex);
    outer.reset();
}

在这个C++示例中，std::unique_ptr自动管理动态分配的内存，std::lock_guard在构造时自动锁定互斥锁，在析构时自动解锁，从而保证内存释放的线程安全性。