面试题：C++中全局变量在多线程环境下可能出现的弊端及解决方法

Question

在C++多线程编程中，使用全局变量可能会引发哪些问题？请举例说明，并阐述至少一种解决这些问题的方法。

Answer 1

可能引发的问题

1. 数据竞争（Data Race）：多个线程同时访问和修改全局变量，导致结果不可预测。例如：

#include <iostream>
#include <thread>

int globalVar = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        globalVar++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

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

    std::cout << "Expected: 20000, Actual: " << globalVar << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，两个线程同时对 globalVar 进行自增操作，由于自增操作不是原子的，可能会出现数据竞争，导致最终 globalVar 的值不一定是 20000。

2. 线程安全问题：全局变量在不同线程间共享，可能被意外修改，破坏程序的逻辑。比如一个线程依赖全局变量的初始状态进行计算，但另一个线程在其计算过程中修改了该全局变量。

解决方法

1. 使用互斥锁（Mutex）：

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

std::mutex globalMutex;
int globalVar = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
        globalVar++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

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

    std::cout << "Expected: 20000, Actual: " << globalVar << std::endl;
    return 0;
}

这里通过 std::mutex 和 std::lock_guard 来保护对 globalVar 的访问，确保同一时间只有一个线程能修改 globalVar，从而避免数据竞争。

2. 使用原子变量（Atomic Variables）：C++11 引入了原子类型，对原子类型的操作是原子的，不会产生数据竞争。例如：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>

std::atomic<int> globalVar(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        globalVar++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);

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

    std::cout << "Expected: 20000, Actual: " << globalVar << std::endl;
    return 0;
}

std::atomic<int> 类型的 globalVar 保证了自增操作的原子性，避免了数据竞争问题。