面试题：C++私有成员变量可访问函数与多线程及内存安全

Question

在多线程环境下，一个类`SharedData`包含私有成员变量`sharedVar`以及用于访问它的成员函数`updateSharedVar`和`readSharedVar`。请分析在多线程并发调用这些函数时可能出现的内存安全问题，并给出至少两种有效的解决方案，详细说明每种方案的实现原理以及优缺点。

Answer 1

可能出现的内存安全问题

在多线程并发调用updateSharedVar和readSharedVar时，可能出现以下内存安全问题：

1. 数据竞争（Data Race）：多个线程同时访问和修改sharedVar，导致最终结果不可预测。例如，线程A读取sharedVar的值，在它还未修改并写回之前，线程B也读取了同样的值，这样线程A的修改就被线程B覆盖，造成数据不一致。

解决方案

1. 互斥锁（Mutex）
   • 实现原理：使用互斥锁（如C++中的std::mutex）来保护对sharedVar的访问。在进入updateSharedVar和readSharedVar函数时，线程首先获取互斥锁，离开函数时释放互斥锁。这样同一时间只有一个线程能访问sharedVar，避免数据竞争。
   • 优点：实现简单直观，适用于大多数场景，能有效解决数据竞争问题。
   • 缺点：性能开销较大，因为线程获取和释放锁需要一定时间。如果锁的粒度较大（保护的代码块较长），会导致其他线程等待时间过长，降低并发性能。而且如果使用不当，可能会出现死锁。
2. 读写锁（Read - Write Lock）
   • 实现原理：读写锁区分了读操作和写操作。允许多个线程同时进行读操作，因为读操作不会修改数据，不会引发数据竞争。但是写操作时，需要独占锁，防止其他线程进行读或写操作。例如在C++中可以使用std::shared_mutex，读线程获取共享锁（lock_shared），写线程获取独占锁（lock）。
   • 优点：适合读多写少的场景，能提高并发性能。读操作并发执行，减少了线程等待时间。
   • 缺点：实现相对复杂。如果写操作过于频繁，读线程可能会长时间等待，导致性能下降。同时，使用不当也可能出现死锁情况。
3. 原子操作（Atomic Operations）
   • 实现原理：将sharedVar声明为原子类型（如C++中的std::atomic<int>）。原子类型的操作是不可分割的，在多线程环境下自动保证操作的原子性，无需额外的锁机制。例如，std::atomic<int>的自增操作++是原子的，不会出现数据竞争。
   • 优点：性能开销小，尤其适用于简单的变量操作。不需要显式的锁，避免了锁带来的开销和死锁风险。
   • 缺点：只适用于简单的原子操作，对于复杂的操作（如多个原子变量之间的组合操作），仍然需要锁或其他同步机制。而且原子类型的功能相对有限，不像普通变量那样灵活。