面试题：C++函数返回引用在复杂场景下的应用

Question

设计一个C++的表达式求值框架，其中包含一个函数`evaluateExpression`，该函数接收一个表达式字符串，解析并计算该表达式，返回计算结果的引用。表达式可能包含多种运算符（如加、减、乘、除）和括号，且操作数可能是自定义的类对象。请详细阐述函数设计思路，包括如何处理返回引用以保证性能和正确性，以及在多线程环境下可能遇到的问题及解决方案。

Answer 1

函数设计思路

1. 词法分析：将输入的表达式字符串按字符或字符序列分割为一个个的词法单元（token），如操作数、运算符、括号等。可以使用正则表达式或者状态机来实现。
2. 语法分析：根据词法分析得到的token序列，构建一棵语法树。这一步可以采用递归下降分析法或者算符优先分析法。例如，遇到括号时，递归处理括号内的表达式。
3. 计算语法树：遍历构建好的语法树，按照运算符的优先级和结合性进行计算。对于自定义类对象的操作数，确保类重载了相应的运算符。
4. 返回引用：为了保证性能，返回计算结果的引用。需要注意的是，计算结果应该存储在一个生命周期足够长的对象中。一种方法是将计算结果存储在evaluateExpression函数内部的静态变量中，但这在多线程环境下存在问题。更好的方法是让调用者提供一个用于存储结果的对象，函数将计算结果存入该对象并返回其引用。

处理返回引用以保证性能和正确性

1. 性能：返回引用避免了对象的拷贝构造和析构，从而提高性能。特别是对于自定义类对象，拷贝操作可能开销较大。
2. 正确性：确保引用指向的对象在函数返回后仍然有效。如上述提到，可通过让调用者提供存储结果的对象来保证。

多线程环境下可能遇到的问题及解决方案

1. 问题：如果使用静态变量存储计算结果，多个线程同时调用evaluateExpression函数时会产生数据竞争，导致结果错误。
2. 解决方案：
   • 线程局部存储（TLS）：使用线程局部存储来存储每个线程的计算结果，这样每个线程都有自己独立的结果变量，避免数据竞争。
   • 互斥锁（Mutex）：在访问共享资源（如用于存储结果的静态变量）时，使用互斥锁进行保护。函数进入时加锁，计算完成并返回结果后解锁。但这种方法会带来一定的性能开销，因为同一时间只有一个线程能进行计算。
   • 无锁数据结构：如果可能，设计无锁的数据结构来存储计算结果，这样可以避免锁带来的性能开销，但实现较为复杂。