面试题：C++ 字符串函数专家难度题

Question

在多线程环境下使用C++ 字符串函数（如 `std::string` 的相关操作）时，会面临哪些线程安全问题？请详细阐述，并提出至少两种有效的解决方案，同时说明每种方案的优缺点。假设在一个服务器程序中，多个线程频繁地对共享的字符串数据进行读取和写入操作，设计一个线程安全的字符串操作模块，并编写关键代码片段。

Answer 1

线程安全问题

1. 数据竞争：多个线程同时对 std::string 进行读写操作，可能导致未定义行为。例如，一个线程正在修改字符串内容，另一个线程同时读取，可能读到不一致的数据。
2. 资源竞争：std::string 内部管理动态内存，多线程操作可能导致内存分配和释放的竞争，如内存泄漏、重复释放等问题。

解决方案

1. 互斥锁（Mutex）
   • 优点：实现简单，适用范围广，可以有效保护共享资源。
   • 缺点：性能开销较大，因为每次访问共享资源都需要获取锁，可能导致线程阻塞，降低并发性能。
2. 读写锁（Read - Write Lock）
   • 优点：允许多个线程同时进行读操作，只有写操作时才需要独占锁，提高了读多写少场景下的并发性能。
   • 缺点：实现相对复杂，需要仔细设计读锁和写锁的获取与释放逻辑，否则容易出现死锁等问题。

线程安全的字符串操作模块关键代码片段

#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>

class ThreadSafeString {
public:
    void write(const std::string& newStr) {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
        str_ = newStr;
    }

    std::string read() {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
        return str_;
    }

private:
    std::string str_;
    std::shared_mutex mutex_;
};