面试题：C++静态函数线程安全的深度剖析与优化

Question

假设有一个复杂的C++库，其中包含多个类，这些类中有大量的静态函数，这些静态函数会相互调用并且会访问共享资源（如全局变量、静态成员变量等）。现在需要在多线程环境下使用这个库，要求在不修改太多现有代码的前提下，确保所有静态函数的线程安全。请描述你的总体思路和具体实现方案，包括但不限于使用的同步机制、如何处理函数之间的调用关系以及对性能的优化策略等。

Answer 1

总体思路

1. 分析共享资源：确定所有被静态函数访问的共享资源，如全局变量、静态成员变量等。
2. 选择同步机制：选用合适的同步原语来保护共享资源，在不修改太多现有代码的情况下，尽量选择轻量级且易于集成的同步方式。
3. 封装同步逻辑：将同步操作封装起来，使得对现有静态函数的修改最小化。
4. 性能优化：在保证线程安全的前提下，尽量减少同步操作对性能的影响。

具体实现方案

1. 同步机制选择
   • 互斥锁（std::mutex）：使用C++标准库中的std::mutex来保护共享资源。在每个访问共享资源的静态函数入口处加锁，在函数结束时解锁。例如：

std::mutex globalMutex;
class MyClass {
public:
    static void staticFunction() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
        // 访问共享资源的代码
    }
};

- **读写锁（`std::shared_mutex`，C++17及以上）**：如果静态函数大多是读操作，可以使用读写锁。读操作使用共享锁（`std::shared_lock`），写操作使用独占锁（`std::unique_lock`）。例如：

std::shared_mutex sharedMutex;
class AnotherClass {
public:
    static void readStaticFunction() {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(sharedMutex);
        // 读共享资源的代码
    }
    static void writeStaticFunction() {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(sharedMutex);
        // 写共享资源的代码
    }
};

2. 处理函数之间的调用关系
   • 嵌套锁处理：当静态函数相互调用且都需要访问共享资源时，要注意锁的嵌套问题。尽量保持锁的获取顺序一致，避免死锁。例如，如果函数A调用函数B，并且A和B都需要锁，那么在A和B中获取锁的顺序应该相同。
   • 传递锁：可以考虑在函数调用链中传递锁对象，以减少重复加锁解锁操作。例如：

class CallerClass {
public:
    static void callerFunction() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
        // 执行部分代码
        CalleeClass::calleeFunction(lock);
    }
};
class CalleeClass {
public:
    static void calleeFunction(std::lock_guard<std::mutex>& lock) {
        // 直接使用传递过来的锁，无需再次加锁
        // 访问共享资源的代码
    }
};

3. 性能优化策略
   • 减小锁的粒度：尽量将共享资源细分，每个小的共享资源使用单独的锁，而不是使用一个大锁保护所有共享资源。这样可以提高并发度，减少线程等待时间。
   • 读写分离优化：如前面提到的，对于读多写少的场景，使用读写锁提高读操作的并发性能。
   • 无锁数据结构：对于一些简单的共享数据结构，可以考虑使用无锁数据结构（如无锁队列、无锁哈希表等）来避免锁带来的开销。但这需要对数据结构有深入理解且实现相对复杂。
   • 缓存局部性：合理安排共享资源的内存布局，提高缓存命中率。例如，将经常一起访问的共享变量放在相邻的内存位置。