面试题：C++全局变量与局部变量作用域在多线程环境下的挑战与应对

Question

在多线程的C++程序中，有一个全局变量被多个线程共享，同时每个线程内部也有同名的局部变量。讨论在这种情况下，可能会出现哪些由于作用域和线程同步导致的问题，并给出至少两种有效的解决方案，同时分析每种方案的优缺点。

Answer 1

可能出现的问题

1. 作用域混淆：程序员可能会错误地访问全局变量而非局部变量，或者反之，导致程序逻辑错误。例如，在函数内部本想操作局部变量，却因疏忽未加局部变量声明而操作了全局变量。
2. 线程同步问题：多个线程同时访问和修改共享的全局变量，可能导致数据竞争。比如，一个线程读取全局变量的值，另一个线程同时修改该值，会使第一个线程读取到不一致的数据，导致程序出现不可预测的结果。

解决方案及优缺点

1. 使用线程局部存储（TLS）
   • 实现方式：在C++ 11及之后版本，可以使用thread_local关键字声明变量，该变量在每个线程中都有独立的实例，避免了全局变量的共享。例如：thread_local int localVar;
   • 优点：彻底避免了全局变量在多线程间的共享，从而避免数据竞争问题。而且语法简单，对现有代码侵入性小，只需在变量声明前添加thread_local关键字。
   • 缺点：如果需要在不同线程间共享某些数据，这种方式就无法满足需求。并且它依赖于编译器对thread_local的支持，在较老的编译器中可能不被支持。
2. 使用互斥锁（Mutex）
   • 实现方式：在访问共享全局变量时，使用互斥锁来保护该变量。例如，使用C++ 标准库中的std::mutex：

std::mutex globalVarMutex;
int globalVar;
void threadFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(globalVarMutex);
    // 访问和修改 globalVar
}

- **优点**：能有效防止数据竞争，通过锁定互斥锁，同一时间只有一个线程可以访问共享全局变量。这种方式通用性强，适用于多种场景，对不同线程间需要共享数据的情况有很好的支持。
- **缺点**：加锁和解锁操作会带来额外的性能开销，尤其是在高并发场景下，频繁的加锁解锁可能成为性能瓶颈。而且如果使用不当，例如死锁（多个线程相互等待对方释放锁），会导致程序挂起。

3. 使用原子操作（Atomic Operations） - 实现方式：对于一些简单的数据类型（如int、bool等），可以使用C++ 标准库中的原子类型，如std::atomic<int>。例如：

std::atomic<int> globalVar;
void threadFunction() {
    int localCopy = globalVar.load(); // 读取全局变量
    // 一些操作
    globalVar.store(localCopy + 1); // 修改全局变量
}

- **优点**：原子操作通常比使用互斥锁更高效，因为它们在硬件层面保证了操作的原子性，不需要像互斥锁那样进行上下文切换等开销较大的操作。适用于简单数据类型的原子读写操作。
- **缺点**：功能相对有限，只能对简单数据类型和特定的操作提供原子性保证。对于复杂的数据结构或操作，原子类型无法满足需求，仍需要使用互斥锁等机制。