面试题：C++多线程互斥锁在复杂场景下的设计与实现

Question

设想一个分布式系统，由多个节点组成，每个节点上运行着多个C++线程，节点间通过网络通信。这些线程需要对一些全局共享数据进行一致性访问。设计一个基于互斥锁（或类似同步机制）的方案来保证数据一致性，描述整体架构、同步机制的选择与实现细节，以及如何处理网络延迟和节点故障等问题。

Answer 1

整体架构

1. 节点层：每个节点是一个独立的服务器，运行多个C++线程。节点负责本地数据处理以及与其他节点进行网络通信。
2. 网络层：用于节点之间的数据传输，确保数据能够可靠地从一个节点发送到另一个节点。可以使用TCP/IP协议来保证数据的有序和可靠传输。
3. 共享数据管理层：维护全局共享数据，这些数据可能分布在不同节点上，需要通过同步机制保证一致性访问。

同步机制的选择与实现细节

1. 选择互斥锁：在每个节点上，对于本地访问的共享数据，使用C++标准库中的std::mutex来保护。当一个线程需要访问共享数据时，先获取对应的互斥锁，访问结束后释放互斥锁。

std::mutex globalDataMutex;
void threadFunction() {
    globalDataMutex.lock();
    // 访问共享数据
    globalDataMutex.unlock();
}

2. 分布式同步：为了保证跨节点的一致性，引入分布式锁机制。可以使用基于ZooKeeper的分布式锁实现。ZooKeeper是一个高可用的分布式协调服务，能够提供分布式锁功能。
   • 获取锁：节点通过在ZooKeeper上创建一个临时顺序节点来尝试获取锁。如果自己创建的节点是所有等待锁的节点中序号最小的，则获取锁成功。
   • 释放锁：节点完成对共享数据的操作后，删除在ZooKeeper上创建的临时顺序节点，释放锁。

处理网络延迟和节点故障等问题

1. 网络延迟
   • 心跳机制：节点之间定期发送心跳包来检测网络连接状态。如果在一定时间内没有收到某个节点的心跳包，则认为该节点可能出现网络故障。
   • 超时机制：在发送网络请求和等待响应时，设置合理的超时时间。如果超时未收到响应，则重新发送请求或采取其他处理措施。
2. 节点故障
   • 故障检测：结合心跳机制和ZooKeeper的节点监控功能，当某个节点出现故障时，ZooKeeper会检测到并通知其他节点。
   • 数据备份与恢复：采用数据复制技术，将共享数据在多个节点上进行备份。当某个节点故障时，其他节点可以接替其工作，从备份数据中恢复状态。
   • 重新选举：如果故障节点是持有分布式锁的节点，需要通过ZooKeeper重新选举新的锁持有者，以保证共享数据的一致性访问。