面试题：C++全局与局部变量内存分布的复杂场景分析

Question

假设你在一个多线程C++程序中有一个全局变量和多个局部变量，其中某些局部变量是在动态分配的内存空间（如通过new操作符）内创建的。请分析在多线程并发访问情况下，全局变量和这些局部变量的内存分布如何影响程序的稳定性和性能，以及可能出现的内存相关问题（如内存泄漏、竞争条件等）及解决办法。

Answer 1

全局变量

1. 内存分布：全局变量存放在静态存储区，在程序运行期间一直存在，所有线程都可以访问该区域。
2. 对稳定性和性能的影响：多个线程同时访问全局变量可能导致竞争条件，即不同线程对全局变量的读写操作顺序不可预测，从而使程序产生不确定的结果，影响稳定性。同时，频繁的竞争会导致线程阻塞和上下文切换，降低性能。
3. 可能出现的内存问题及解决办法：
   • 竞争条件：使用互斥锁（std::mutex）、读写锁（std::shared_mutex）等同步机制来保护对全局变量的访问。例如：

#include <iostream>
#include <mutex>

std::mutex globalMutex;
int globalVariable = 0;

void threadFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
    globalVariable++;
}

- **内存泄漏**：如果全局变量指向动态分配的内存且没有正确释放，可能导致内存泄漏。在程序结束时确保正确释放相关内存，或者使用智能指针管理动态分配的内存。

局部变量

1. 栈上局部变量：
   • 内存分布：存放在栈上，每个线程都有自己独立的栈空间，所以不同线程的栈上局部变量相互独立，不存在竞争问题。
   • 对稳定性和性能的影响：由于不存在竞争，对程序稳定性无此方面威胁，且栈的访问速度较快，性能较好。
   • 可能出现的内存问题及解决办法：一般不会出现内存泄漏和竞争条件，但如果局部变量是指向动态分配内存的指针且未正确释放，可能在函数结束时导致内存泄漏。使用智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr）代替原始指针来管理动态分配的内存。例如：

void stackLocalFunction() {
    std::unique_ptr<int> localPtr(new int(5));
}

2. 堆上局部变量（动态分配内存的局部变量）：
   • 内存分布：通过new操作符在堆上分配内存，虽然变量本身（指针）在栈上，但所指向的内存位于堆区，堆区是所有线程共享的。
   • 对稳定性和性能的影响：多个线程可能同时访问堆上同一区域的内存，从而导致竞争条件，影响程序稳定性。同时，频繁的堆内存分配和释放可能导致内存碎片化，影响性能。
   • 可能出现的内存问题及解决办法：
     • 竞争条件：同样使用同步机制如互斥锁来保护对堆上内存的访问。例如：

#include <iostream>
#include <mutex>

std::mutex heapMutex;

void heapLocalFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(heapMutex);
    int* localHeapVar = new int(10);
    // 使用 localHeapVar
    delete localHeapVar;
}

    - **内存泄漏**：确保在不再使用动态分配的内存时及时释放，使用智能指针可有效避免此问题。