面试题：C语言联合体在多线程状态机设计中的挑战与应对

使用联合体在多线程状态机场景下的挑战

数据竞争：由于联合体的所有成员共享同一块内存空间，不同线程同时访问和修改联合体成员时，可能导致数据竞争。例如，一个线程正在修改联合体中某个成员的值，而另一个线程同时读取该联合体，可能读到不一致的数据。
同步问题：当不同线程触发状态转移时，可能同时修改状态机的状态（存储在联合体中），导致状态不一致。此外，对于依赖于状态的操作，也需要确保在状态更新期间其他线程不会进行干扰。

解决方法

互斥锁（Mutex）：使用互斥锁来保护对联合体的访问。在访问联合体成员之前，先获取互斥锁，访问完成后释放互斥锁，这样可以保证同一时间只有一个线程能够访问联合体。
条件变量（Condition Variable）：用于线程间的同步。当状态发生变化满足某些条件时，通过条件变量通知等待的线程，以确保线程在合适的时机进行操作。

核心代码示例

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 定义联合体表示状态机的状态
union State {
    int numeric_state;
    char text_state[10];
};

// 定义状态机结构体
typedef struct {
    union State current_state;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
} StateMachine;

// 初始化状态机
void init_state_machine(StateMachine *sm) {
    sm->current_state.numeric_state = 0;
    pthread_mutex_init(&sm->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&sm->cond, NULL);
}

// 释放状态机资源
void destroy_state_machine(StateMachine *sm) {
    pthread_mutex_destroy(&sm->mutex);
    pthread_cond_destroy(&sm->cond);
}

// 状态转移函数
void transition_state(StateMachine *sm, int new_state) {
    pthread_mutex_lock(&sm->mutex);
    sm->current_state.numeric_state = new_state;
    // 状态转移后可以通过条件变量通知其他线程
    pthread_cond_broadcast(&sm->cond);
    pthread_mutex_unlock(&sm->mutex);
}

// 线程函数，模拟对状态机的操作
void* thread_function(void* arg) {
    StateMachine *sm = (StateMachine *)arg;
    pthread_mutex_lock(&sm->mutex);
    // 等待状态满足某个条件
    while (sm->current_state.numeric_state != 5) {
        pthread_cond_wait(&sm->cond, &sm->mutex);
    }
    printf("Thread: State is now 5, performing action.\n");
    pthread_mutex_unlock(&sm->mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    StateMachine sm;
    init_state_machine(&sm);

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, &sm);

    // 主线程模拟状态转移
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sleep(1);
        transition_state(&sm, i);
        if (i == 5) {
            printf("Main: State set to 5, should trigger thread action.\n");
        }
    }

    pthread_join(thread, NULL);
    destroy_state_machine(&sm);
    return 0;
}

代码注释

联合体定义：

union State {
    int numeric_state;
    char text_state[10];
};

定义了一个联合体 State，它可以存储一个整数类型的状态或者一个字符串类型的状态，成员共享同一块内存空间。

状态机结构体定义：

typedef struct {
    union State current_state;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
} StateMachine;

定义了状态机结构体 StateMachine，包含联合体类型的当前状态 current_state，以及用于同步的互斥锁 mutex 和条件变量 cond。

初始化状态机函数：

void init_state_machine(StateMachine *sm) {
    sm->current_state.numeric_state = 0;
    pthread_mutex_init(&sm->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&sm->cond, NULL);
}

初始化状态机的当前状态为0，并初始化互斥锁和条件变量。

释放状态机资源函数：

void destroy_state_machine(StateMachine *sm) {
    pthread_mutex_destroy(&sm->mutex);
    pthread_cond_destroy(&sm->cond);
}

销毁互斥锁和条件变量，释放资源。

状态转移函数：

void transition_state(StateMachine *sm, int new_state) {
    pthread_mutex_lock(&sm->mutex);
    sm->current_state.numeric_state = new_state;
    // 状态转移后可以通过条件变量通知其他线程
    pthread_cond_broadcast(&sm->cond);
    pthread_mutex_unlock(&sm->mutex);
}

获取互斥锁，更新状态机的当前状态，然后通过条件变量通知所有等待的线程，最后释放互斥锁。

线程函数：

void* thread_function(void* arg) {
    StateMachine *sm = (StateMachine *)arg;
    pthread_mutex_lock(&sm->mutex);
    // 等待状态满足某个条件
    while (sm->current_state.numeric_state != 5) {
        pthread_cond_wait(&sm->cond, &sm->mutex);
    }
    printf("Thread: State is now 5, performing action.\n");
    pthread_mutex_unlock(&sm->mutex);
    return NULL;
}

获取互斥锁，然后通过条件变量等待状态变为5，当状态满足条件时执行相应操作，最后释放互斥锁。

主函数：

int main() {
    StateMachine sm;
    init_state_machine(&sm);

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, &sm);

    // 主线程模拟状态转移
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sleep(1);
        transition_state(&sm, i);
        if (i == 5) {
            printf("Main: State set to 5, should trigger thread action.\n");
        }
    }

    pthread_join(thread, NULL);
    destroy_state_machine(&sm);
    return 0;
}

初始化状态机，创建一个线程，主线程通过循环模拟状态转移，当状态转移到5时，应该触发线程的操作。最后等待线程结束并释放状态机资源。

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面试题：C语言联合体在多线程状态机设计中的挑战与应对

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面试题答案

使用联合体在多线程状态机场景下的挑战

解决方法

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