面试题：C++ 多线程中复杂场景下互斥与同步的应用

Question

假设有一个C++程序，多个线程需要访问并修改共享的复杂数据结构（如自定义的图结构）。请设计一套合理的互斥与同步方案，确保数据的一致性和线程安全，同时要考虑性能问题。描述你选择的具体同步机制（如互斥锁、条件变量、信号量等）及其原因，并简单说明实现思路。

Answer 1

1. 选择的同步机制
   • 互斥锁（std::mutex）：用于保护共享数据结构的临界区，确保同一时间只有一个线程可以访问和修改共享的图结构。原因是它简单直接，能有效防止多个线程同时访问共享资源，避免数据竞争。
   • 条件变量（std::condition_variable）：当某个线程需要等待共享数据结构满足特定条件时使用，比如等待图结构中某个节点被其他线程处理完成。它与互斥锁配合使用，能减少线程的无效等待，提高性能。
2. 实现思路
   • 使用互斥锁：
     • 定义一个全局的std::mutex对象，例如std::mutex graphMutex;。
     • 在每个需要访问和修改共享图结构的函数中，使用std::lock_guard<std::mutex>来自动管理锁的生命周期。例如：

void modifyGraph() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(graphMutex);
    // 这里进行对共享图结构的修改操作
}

• 使用条件变量：
  • 定义一个全局的std::condition_variable对象，例如std::condition_variable graphCondition;。
  • 当一个线程需要等待某个条件时，先获取互斥锁，然后使用std::unique_lock<std::mutex>与条件变量配合。例如，假设共享图结构中有一个成员变量bool nodeProcessed表示某个节点是否处理完成：

void waitForNode() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(graphMutex);
    graphCondition.wait(lock, [] { return nodeProcessed; });
    // 当条件满足，即节点处理完成后，继续执行相关操作
}

• 在修改共享图结构并满足某个条件时，通知等待的线程：

void processNode() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(graphMutex);
    // 处理节点
    nodeProcessed = true;
    graphCondition.notify_one();// 通知一个等待的线程
    // 或者 graphCondition.notify_all();通知所有等待的线程
}

这样通过互斥锁保证数据访问的互斥性，通过条件变量实现线程间的同步，在保证数据一致性和线程安全的同时，尽可能提高性能。