面试题：C++中全局变量与局部变量初始化在多线程环境下的挑战与解决方案

Question

在多线程的C++程序中，有一个全局变量`sharedGlobal`需要在线程间共享，同时每个线程内部都有自己的局部变量`threadLocal`。请详细阐述在多线程环境下，`sharedGlobal`和`threadLocal`的初始化会面临哪些特殊问题，比如竞争条件、数据一致性等，并且给出相应的解决方案。另外，如何利用C++11引入的线程局部存储（TLS）来优化局部变量在多线程中的初始化和使用？

Answer 1

sharedGlobal初始化面临的问题及解决方案

1. 竞争条件：多个线程可能同时尝试初始化sharedGlobal，导致重复初始化或部分初始化的问题。
   • 解决方案：使用互斥锁（std::mutex）。在初始化sharedGlobal前加锁，初始化完成后解锁。例如：

#include <mutex>
std::mutex globalMutex;
int sharedGlobal;
void initializeSharedGlobal() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
    if (!sharedGlobal) {
        sharedGlobal = 42;
    }
}

2. 数据一致性：如果在一个线程初始化sharedGlobal时，其他线程开始使用它，可能会读到未初始化或部分初始化的数据。
   • 解决方案：使用std::once_flag和std::call_once。std::call_once确保函数只被调用一次，无论多少线程尝试调用。例如：

#include <mutex>
#include <memory>
std::once_flag globalFlag;
int sharedGlobal;
void initializeSharedGlobal() {
    sharedGlobal = 42;
}
void accessSharedGlobal() {
    std::call_once(globalFlag, initializeSharedGlobal);
    // 使用sharedGlobal
}

threadLocal初始化面临的问题及解决方案

1. 每个线程独立初始化：每个线程都需要有自己独立的threadLocal变量实例，并且初始化过程不能相互干扰。
   • 解决方案：利用C++11的线程局部存储（TLS）。通过在变量声明前加上thread_local关键字来声明线程局部变量。例如：

thread_local int threadLocal = 0;

这样每个线程都有自己独立的threadLocal变量实例，其初始化不会受到其他线程影响。

利用C++11线程局部存储（TLS）优化局部变量在多线程中的初始化和使用

1. 初始化优化：thread_local变量的初始化在每个线程第一次使用该变量时进行，且只初始化一次。这种延迟初始化特性避免了不必要的初始化开销，特别是当线程可能不会用到该变量时。
2. 使用优化：由于每个线程有自己独立的实例，访问thread_local变量不需要额外的同步机制，提高了访问效率，同时保证了线程安全。例如：

#include <iostream>
#include <thread>

thread_local int threadLocal = 0;

void threadFunction() {
    ++threadLocal;
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " has threadLocal value: " << threadLocal << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(threadFunction);
    std::thread t2(threadFunction);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上述代码中，每个线程独立地修改和访问自己的threadLocal变量，无需额外同步。