面试题：C++多线程环境下const成员函数的状态保护

Question

在多线程环境下，C++的const成员函数如何保证对象状态的一致性和线程安全性？假设存在一个类，其const成员函数会访问共享资源，你将如何设计和实现以确保状态保护不受多线程干扰，包括但不限于锁机制、原子操作等技术的应用，阐述具体思路并给出关键代码片段。

Answer 1

思路

1. 锁机制：使用互斥锁（std::mutex）来保护共享资源。在进入const成员函数时锁定互斥锁，离开函数时解锁，这样可以保证同一时间只有一个线程能访问共享资源。
2. 原子操作：对于简单的共享资源（如计数器等），可以使用原子类型（std::atomic），它提供了原子的读、写和修改操作，无需额外的锁，能保证线程安全。

关键代码片段

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <atomic>

class ThreadSafeClass {
private:
    std::atomic<int> sharedData; // 使用原子类型来保证简单数据的线程安全
    std::mutex mtx; // 互斥锁，用于保护其他共享资源

public:
    ThreadSafeClass() : sharedData(0) {}

    // const成员函数，访问共享资源
    int getSharedData() const {
        // 如果共享资源不是原子类型，使用锁机制
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); 
        return sharedData.load();
    }

    // 非const成员函数，修改共享资源
    void incrementSharedData() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); 
        sharedData++;
    }
};

在上述代码中：

• std::atomic<int> 保证了 sharedData 的原子操作，使其线程安全。
• 对于更复杂的共享资源（若存在），使用 std::mutex 和 std::lock_guard 来确保在访问共享资源时的线程安全性。std::lock_guard 在构造时锁定互斥锁，在析构时解锁，从而保证了作用域内的线程安全。