面试题：C++ 静态函数全局访问控制与多线程安全

实现思路

使用互斥锁（Mutex）：
- 在C++ 中，可以使用 <mutex> 库中的 std::mutex。在 calculate 函数中，定义一个静态 std::mutex 对象，例如 static std::mutex mtx;。
- 在 calculate 函数开始处，调用 mtx.lock() 来锁定互斥锁，这样其他线程调用 calculate 函数时，若互斥锁已被锁定，就会阻塞等待。
- 在 calculate 函数结束处，调用 mtx.unlock() 来释放互斥锁，允许其他线程获取锁并进入 calculate 函数。
- 示例代码如下：

#include <mutex>

class ThreadSafeClass {
private:
    static int staticMember;
    static std::mutex mtx;
public:
    static void calculate() {
        mtx.lock();
        // 修改静态成员变量
        staticMember++;
        mtx.unlock();
    }
};

int ThreadSafeClass::staticMember = 0;
std::mutex ThreadSafeClass::mtx;

使用读写锁（Read - Write Lock）：
- 如果对静态成员变量的操作大多是读操作，少量是写操作，可以使用读写锁提高性能。在C++ 中，可以使用 <shared_mutex> 库中的 std::shared_mutex。
- 读操作时，使用 std::shared_lock<std::shared_mutex> 来获取共享锁，允许多个线程同时进行读操作。
- 写操作时，使用 std::unique_lock<std::shared_mutex> 来获取独占锁，此时其他线程无论是读还是写操作都会被阻塞。
- 示例代码如下：

#include <shared_mutex>

class ThreadSafeClass {
private:
    static int staticMember;
    static std::shared_mutex rwMutex;
public:
    static void readCalculate() {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rwMutex);
        // 读取静态成员变量
        int value = staticMember;
    }
    static void writeCalculate() {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rwMutex);
        // 修改静态成员变量
        staticMember++;
    }
};

int ThreadSafeClass::staticMember = 0;
std::shared_mutex ThreadSafeClass::rwMutex;

全局访问控制方面可能遇到的问题及解决方案

死锁问题：
- 问题：当多个线程需要获取多个锁时，如果获取锁的顺序不一致，可能会导致死锁。例如，线程A获取锁1，然后尝试获取锁2，而线程B获取锁2，然后尝试获取锁1，此时两个线程都在等待对方释放锁，就会陷入死锁。
- 解决方案：
  - 规定锁的获取顺序：在整个程序中，规定获取锁的统一顺序。例如，总是先获取锁1，再获取锁2，这样可以避免死锁。
  - 使用 std::lock：C++ 提供了 std::lock 函数，它可以一次性获取多个锁，并且保证不会发生死锁。例如 std::lock(mutex1, mutex2);，该函数会以一种无死锁的方式获取 mutex1 和 mutex2。
性能问题：
- 问题：如果互斥锁保护的代码段过长，会导致其他线程等待时间过长，降低系统的并发性能。例如，在 calculate 函数中，除了修改静态成员变量外，还有大量其他无关的计算操作也被锁保护，这会影响性能。
- 解决方案：
  - 缩小锁的保护范围：将不需要线程安全的操作移出锁保护的代码段。例如，将无关的计算操作放在获取锁之前或释放锁之后执行。
  - 使用更细粒度的锁：如果静态成员变量可以分成几个独立的部分进行操作，可以为每个部分使用单独的锁，这样不同线程可以同时操作不同部分，提高并发性能。
锁争用问题：
- 问题：当大量线程频繁访问 calculate 函数时，锁争用会非常激烈，导致系统开销增大，性能下降。
- 解决方案：
  - 使用无锁数据结构：如果静态成员变量的操作可以使用无锁数据结构（如无锁队列、无锁哈希表等）来实现，就可以避免锁争用问题。无锁数据结构利用原子操作来保证数据的一致性。
  - 减少线程数量：合理控制并发线程的数量，避免过多线程竞争锁。可以根据系统资源（如CPU核心数）来动态调整线程数量。

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面试题：C++ 静态函数全局访问控制与多线程安全

知识考点

面试题答案

实现思路

全局访问控制方面可能遇到的问题及解决方案