面试题：C++成员函数跨线程操作对象数据的高性能线程安全设计

Question

设计一个C++类 `HighPerformanceClass`，该类需要支持多线程并发访问其成员数据。类中有一个成员变量 `std::map<int, std::string> dataMap`，要求实现两个成员函数 `void updateMap(int key, const std::string& value)` 和 `std::string getValue(int key)`。在多线程环境下，这两个函数要保证数据的一致性和线程安全，同时尽可能提高性能（如减少锁竞争等）。请给出完整的类设计和函数实现，并解释设计思路和性能优化点。

Answer 1

#include <map>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>

class HighPerformanceClass {
private:
    std::map<int, std::string> dataMap;
    mutable std::shared_mutex mapMutex;

public:
    void updateMap(int key, const std::string& value) {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mapMutex);
        dataMap[key] = value;
    }

    std::string getValue(int key) const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mapMutex);
        auto it = dataMap.find(key);
        if (it != dataMap.end()) {
            return it->second;
        }
        return "";
    }
};

设计思路

1. 成员变量：使用 std::map<int, std::string> 存储数据，这是题目的要求。同时使用 std::shared_mutex 来保护 dataMap，因为 std::shared_mutex 支持读锁（共享锁）和写锁（独占锁），适合读多写少的场景。
2. updateMap 函数：该函数用于更新 dataMap 中的数据，这是一个写操作，所以使用 std::unique_lock<std::shared_mutex> 获取独占锁，保证在更新数据时没有其他线程可以访问 dataMap，从而保证数据一致性和线程安全。
3. getValue 函数：该函数用于读取 dataMap 中的数据，这是一个读操作，所以使用 std::shared_lock<std::shared_mutex> 获取共享锁，允许多个线程同时读取 dataMap，提高了并发性能。

性能优化点

1. 读锁共享：在 getValue 函数中使用共享锁，允许多个线程同时读取 dataMap，减少了锁竞争，提高了读操作的并发性能。适用于读多写少的场景，因为写操作会获取独占锁，此时其他读写操作都要等待。
2. 锁粒度控制：这里只对整个 dataMap 加锁，如果数据量非常大，可以考虑进一步细化锁粒度，例如对 dataMap 的部分数据加锁，但这会增加代码复杂度。在此题中，这种方式简单有效且能满足基本的性能需求。