面试题：C++ const成员函数与共享资源的线程安全

Question

假设你有一个C++类，其中包含一个const成员函数，该函数访问并操作类内的共享资源（例如静态成员变量）。请描述如何在保证函数const特性的同时确保线程安全，给出具体的代码示例（可使用C++11及以上特性），并分析该实现的优缺点。

Answer 1

实现方法

1. 使用std::mutex：在C++中，可以使用std::mutex来保护共享资源。在const成员函数中，对共享资源的访问和操作前后加锁和解锁，以确保线程安全。

#include <iostream>
#include <mutex>

class MyClass {
private:
    static int sharedResource;
    static std::mutex mtx;
public:
    const int accessSharedResource() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        // 访问和操作共享资源
        ++sharedResource;
        return sharedResource;
    }
};

int MyClass::sharedResource = 0;
std::mutex MyClass::mtx;

2. 使用std::shared_mutex（C++17及以上）：如果共享资源的读取操作远多于写入操作，可以使用std::shared_mutex来提高性能。读操作使用std::shared_lock，写操作使用std::unique_lock。

#include <iostream>
#include <shared_mutex>

class MyClass {
private:
    static int sharedResource;
    static std::shared_mutex mtx;
public:
    const int readSharedResource() const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mtx);
        return sharedResource;
    }
    int modifySharedResource() {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mtx);
        ++sharedResource;
        return sharedResource;
    }
};

int MyClass::sharedResource = 0;
std::shared_mutex MyClass::mtx;

优缺点分析

1. 使用std::mutex的优缺点
   • 优点：
     • 简单直接：实现方式简单，容易理解和维护，适用于各种场景。
     • 通用性强：能有效保护共享资源，防止多线程竞争条件。
   • 缺点：
     • 性能瓶颈：如果多个线程频繁访问共享资源，由于每次访问都需要加锁解锁，会导致性能下降，特别是在高并发场景下。
2. 使用std::shared_mutex的优缺点
   • 优点：
     • 读性能提升：对于读多写少的场景，允许多个线程同时进行读操作，大大提高了并发性能。
   • 缺点：
     • 复杂性增加：代码实现相对复杂，需要区分读操作和写操作，对开发者要求更高。
     • 写操作开销：写操作仍然需要独占锁，在写操作频繁时，可能会导致读操作等待，性能反而不如std::mutex。