面试题：C++类中static成员的内存管理与多线程

Question

在多线程环境下，C++类的static成员变量可能会遇到哪些问题？如何通过合适的机制（如互斥锁等）来确保其在多线程访问时的安全性？请编写一段代码示例来展示。

Answer 1

多线程环境下C++类的static成员变量可能遇到的问题

1. 数据竞争：多个线程同时读写static成员变量，可能导致数据不一致。例如，一个线程读取static变量的值，另一个线程同时修改该值，会使得读取到的值不准确。
2. 初始化问题：在多线程环境下，static成员变量的初始化顺序可能不确定，导致在使用时该变量还未正确初始化。

通过互斥锁确保多线程访问安全性

可以使用std::mutex来保护static成员变量。每次访问static成员变量前，先锁定互斥锁，访问完成后解锁。

代码示例

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

class MyClass {
public:
    static int getStaticValue() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        return staticValue_;
    }

    static void incrementStaticValue() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        ++staticValue_;
    }

private:
    static int staticValue_;
    static std::mutex mutex_;
};

int MyClass::staticValue_ = 0;
std::mutex MyClass::mutex_;

void threadFunction() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        MyClass::incrementStaticValue();
    }
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(threadFunction);
    }

    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    std::cout << "Final static value: " << MyClass::getStaticValue() << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中：

1. MyClass类有一个static成员变量staticValue_和一个static的互斥锁mutex_。
2. getStaticValue和incrementStaticValue函数使用std::lock_guard来自动管理互斥锁的锁定和解锁，确保在访问staticValue_时的线程安全。
3. 在main函数中，创建10个线程同时调用incrementStaticValue函数，如果没有互斥锁保护，最终的staticValue_值将是不确定的，有了互斥锁保护后，可以得到正确的累加结果。