面试题：C++堆与栈在多线程环境下的特性及优化策略

Question

在多线程C++程序中，堆和栈在资源竞争、线程安全方面有哪些特性？请设计一个多线程场景，其中涉及堆和栈上的数据共享与操作，并提出有效的同步机制和优化策略，以确保程序的正确性和高性能。同时分析不同同步策略对堆和栈使用效率的影响。

Answer 1

堆和栈在资源竞争、线程安全方面的特性

1. 栈：
   • 资源竞争：每个线程拥有自己独立的栈空间，栈上的局部变量在不同线程间不会产生资源竞争。
   • 线程安全：由于栈的独立性，栈上数据操作通常是线程安全的，无需额外同步机制。
2. 堆：
   • 资源竞争：堆是所有线程共享的内存区域，多个线程同时对堆上数据进行操作时，容易产生资源竞争。
   • 线程安全：堆上数据操作不是线程安全的，需要同步机制（如互斥锁、读写锁等）来确保数据一致性。

多线程场景设计

假设有一个多线程程序，多个线程需要对一个全局的堆上数组进行求和操作，同时每个线程有自己栈上的局部变量用于临时存储部分和。

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

std::mutex globalMutex;
std::vector<int> globalArray(100);
int globalSum = 0;

void threadFunction(int threadId) {
    int localSum = 0;
    for (int i = threadId; i < globalArray.size(); i += std::thread::hardware_concurrency()) {
        localSum += globalArray[i];
    }
    std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
    globalSum += localSum;
}

int main() {
    for (int i = 0; i < globalArray.size(); ++i) {
        globalArray[i] = i + 1;
    }

    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < std::thread::hardware_concurrency(); ++i) {
        threads.emplace_back(threadFunction, i);
    }

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

    std::cout << "Global sum: " << globalSum << std::endl;
    return 0;
}

同步机制和优化策略

1. 同步机制：
   • 互斥锁：如上述代码中使用std::mutex和std::lock_guard来保护对全局堆上变量globalSum的操作，确保同一时间只有一个线程能修改它。
   • 读写锁：如果读操作远多于写操作，可以使用读写锁（如std::shared_mutex），允许多个线程同时读，写操作时独占。
2. 优化策略：
   • 减少锁的粒度：只在对共享堆数据进行修改时加锁，尽量缩短锁的持有时间。
   • 使用无锁数据结构：对于一些简单的数据结构，如无锁队列、无锁哈希表等，可避免锁带来的开销。

不同同步策略对堆和栈使用效率的影响

1. 互斥锁：
   • 对堆的影响：保证堆数据的线程安全，但由于同一时间只有一个线程能访问，可能导致其他线程等待，降低了堆操作的并发度。
   • 对栈的影响：基本无影响，因为栈是线程私有的，无需同步。
2. 读写锁：
   • 对堆的影响：读操作并发度提高，适合读多写少的场景。但写操作时仍需独占，可能导致读线程等待。
   • 对栈的影响：同样基本无影响，不涉及栈的同步。
3. 无锁数据结构：
   • 对堆的影响：避免了锁的开销，提高了堆操作的并发性能，但实现复杂，可能需要更多的内存和CPU资源。
   • 对栈的影响：不涉及栈的操作，无影响。