面试题：C++11对内存模型做了哪些改进及应用场景

C++11内存模型改进内容

原子操作：
- C++11引入了<atomic>头文件，定义了一系列原子类型和原子操作。原子类型（如std::atomic<int>）保证对其的操作是不可分割的，在多线程环境下不会出现数据竞争。例如，std::atomic<int> counter;，对counter的++操作在多线程中是原子的，不需要额外的锁。
- 原子操作支持多种内存顺序（memory order），包括std::memory_order_seq_cst（顺序一致性内存序）、std::memory_order_release、std::memory_order_acquire等。
内存顺序：
- 顺序一致性内存序（std::memory_order_seq_cst）：这是最严格的内存序，所有线程对原子操作的执行顺序是一致的，就好像存在一个全局的顺序。例如，在多个线程对同一个std::atomic<int>变量进行读写操作时，按照顺序一致性内存序，所有线程看到的操作顺序都是一样的。
- 释放 - 获取内存序（std::memory_order_release和std::memory_order_acquire）：std::memory_order_release用于写操作，它保证所有之前的写操作对其他线程可见；std::memory_order_acquire用于读操作，它保证后续的读操作能看到之前线程释放的写操作结果。例如，一个线程在写一个共享变量时使用std::memory_order_release，另一个线程在读这个变量时使用std::memory_order_acquire，就能保证读线程能看到写线程对该变量以及之前相关变量的修改。
线程局部存储（TLS）：
- C++11通过thread_local关键字支持线程局部存储。每个线程都有自己独立的thread_local变量副本，不同线程对thread_local变量的修改不会相互影响。例如，thread_local int local_value;，每个线程都有自己的local_value，保证了数据的独立性。

在多线程编程场景下保证数据一致性和线程安全的方式

原子操作保证数据一致性：通过原子类型和原子操作，避免了多线程同时访问和修改同一数据时的数据竞争。例如，多个线程对std::atomic<int>类型的计数器进行自增操作，由于操作的原子性，不会出现计数器值错误的情况，保证了数据一致性。
内存顺序保证线程安全：合理使用不同的内存顺序可以确保线程之间数据的正确同步。例如，在生产者 - 消费者模型中，生产者线程在向共享缓冲区写入数据后使用std::memory_order_release，消费者线程在读取数据前使用std::memory_order_acquire，这样就能保证消费者线程能读取到生产者线程正确写入的数据，保证了线程安全。
线程局部存储保证线程安全：thread_local变量为每个线程提供独立的数据副本，不同线程对其操作不会相互干扰，从而保证了线程安全。例如，在多线程日志记录场景下，每个线程的日志数据可以存储在thread_local变量中，避免了线程间日志数据的冲突。

应用场景举例

计数器应用场景：在多线程并发访问的服务器中，需要统计请求的数量。可以使用std::atomic<int>类型的计数器，每个线程在处理请求时对计数器进行原子自增操作，保证计数器值的准确性。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter++;
    }
}
int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

生产者 - 消费者模型：在一个多线程的数据处理系统中，生产者线程不断生成数据并放入共享缓冲区，消费者线程从共享缓冲区取出数据进行处理。通过使用合适的内存顺序（如生产者使用std::memory_order_release，消费者使用std::memory_order_acquire），可以保证数据的正确传递和处理。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <queue>
std::atomic<bool> data_ready(false);
std::queue<int> data_queue;
void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        data_queue.push(i);
        data_ready.store(true, std::memory_order_release);
    }
}
void consumer() {
    while (true) {
        if (data_ready.load(std::memory_order_acquire)) {
            while (!data_queue.empty()) {
                int data = data_queue.front();
                data_queue.pop();
                std::cout << "Consumed: " << data << std::endl;
            }
            data_ready.store(false, std::memory_order_release);
        }
    }
}
int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

多线程日志记录：在一个多线程的应用程序中，每个线程需要记录自己的日志信息。可以使用thread_local变量来存储每个线程的日志缓冲区，避免线程间日志数据的冲突。

#include <iostream>
#include <thread>
thread_local std::string thread_log;
void log_message(const std::string& message) {
    thread_log += message + "\n";
}
void thread_function() {
    log_message("Thread started");
    // 线程执行其他操作
    log_message("Thread finished");
    std::cout << "Thread log:\n" << thread_log << std::endl;
}
int main() {
    std::thread t1(thread_function);
    std::thread t2(thread_function);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

星途面试题库

面试题：C++11对内存模型做了哪些改进及应用场景

知识考点

面试题答案

C++11内存模型改进内容

在多线程编程场景下保证数据一致性和线程安全的方式

应用场景举例