面试题：C++异常处理在多线程环境下的挑战与解决方案

多线程C++程序中异常处理面临的特殊挑战

数据竞争：不同线程对共享资源的访问可能因异常抛出而导致数据不一致。例如，一个线程在更新共享数据结构过程中抛出异常，其他线程可能访问到部分更新的数据。
死锁：当线程持有锁时抛出异常，如果没有正确处理，可能导致锁无法释放，进而造成死锁。比如，线程A持有锁L1，准备获取锁L2时抛出异常，而线程B持有锁L2等待获取锁L1，就会产生死锁。
线程状态安全：异常抛出可能导致线程处于未定义状态，影响其他线程依赖该线程的后续操作。例如，一个线程负责初始化共享资源，若初始化过程中抛出异常，其他线程可能使用到未初始化的资源。

应对挑战的设计模式和最佳实践

资源管理（RAII）：使用RAII机制管理资源，如锁、文件句柄等。例如，std::lock_guard和std::unique_lock会在对象析构时自动释放锁，避免因异常导致锁未释放。

#include <mutex>
std::mutex mtx;
void function() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    // 操作共享资源，异常时lock自动析构释放锁
}

线程本地存储（TLS）：将每个线程的数据独立存储，避免共享数据带来的数据竞争和异常处理问题。thread_local关键字可用于声明线程本地变量。

thread_local int threadSpecificData;
void threadFunction() {
    threadSpecificData = 42;
    // 该线程对threadSpecificData的操作不会影响其他线程
}

异常安全的设计：编写函数时遵循异常安全原则，如提供“基本保证”（函数失败时不泄露资源且对象处于有效状态）和“强保证”（函数要么成功完成，要么没有任何影响）。例如，在修改共享数据结构前，先创建临时副本，修改完成后再交换。

class SharedData {
    std::vector<int> data;
public:
    void updateData(const std::vector<int>& newData) {
        std::vector<int> temp = newData;
        // 对temp进行操作
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data.swap(temp);
    }
};

异常传播和处理：在线程入口函数捕获异常，避免异常跨线程传播。例如：

void threadEntry() {
    try {
        // 线程具体逻辑
    } catch(...) {
        // 处理异常，记录日志等
    }
}

使用事务机制：对于涉及多个共享资源修改的操作，可借鉴数据库事务概念，要么所有操作成功，要么都回滚。例如，可自定义一个事务类，管理锁和资源操作。

class Transaction {
    std::vector<std::mutex*> locks;
    std::vector<std::function<void()>> rollbacks;
public:
    void lock(std::mutex& m) {
        m.lock();
        locks.push_back(&m);
    }
    void addRollback(std::function<void()> func) {
        rollbacks.push_back(func);
    }
    ~Transaction() {
        if (rollbacks.size() > 0) {
            for (auto it = rollbacks.rbegin(); it != rollbacks.rend(); ++it) {
                (*it)();
            }
        }
        for (auto m : locks) {
            m->unlock();
        }
    }
    void commit() {
        rollbacks.clear();
        for (auto m : locks) {
            m->unlock();
        }
    }
};

使用示例：

std::mutex m1, m2;
void modifySharedResources() {
    Transaction tx;
    tx.lock(m1);
    tx.lock(m2);
    // 假设这两个函数修改共享资源且有回滚操作
    tx.addRollback([]() { /* 回滚m1相关操作 */ });
    tx.addRollback([]() { /* 回滚m2相关操作 */ });
    try {
        // 修改共享资源操作
        tx.commit();
    } catch(...) {
        // 异常时事务析构自动回滚
    }
}

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应对挑战的设计模式和最佳实践