面试题：C++同名局部与全局变量在多线程环境下的问题及解决方案

Question

在C++多线程编程中，如果存在局部变量与全局变量同名的情况，可能会引发哪些问题？如何通过设计合理的编程模型和使用相关机制（如互斥锁、线程局部存储等）来解决这些问题？请给出详细的分析和代码示例。

Answer 1

可能引发的问题

1. 命名冲突：局部变量会隐藏全局变量，导致在局部作用域内无法直接访问全局变量，若不小心误用，可能导致程序逻辑错误。例如在多线程环境下，不同线程对同名变量的操作可能并非预期的全局变量操作。
2. 数据竞争：如果多个线程同时访问和修改同名的局部变量和全局变量（特别是全局变量），可能导致数据竞争问题，使得程序结果不可预测，出现并发错误。

解决方案及分析

1. 使用作用域解析运算符 :: 访问全局变量：在局部作用域内，通过 :: 可以明确访问全局变量，避免命名冲突。

#include <iostream>
#include <thread>

int globalVar = 10;

void threadFunction() {
    int globalVar = 20; // 局部变量与全局变量同名
    std::cout << "局部变量 globalVar: " << globalVar << std::endl;
    std::cout << "全局变量 globalVar: " << ::globalVar << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join();
    return 0;
}

2. 使用互斥锁（Mutex）：当涉及对全局变量的修改时，使用互斥锁可以避免数据竞争。互斥锁保证同一时间只有一个线程能访问被保护的资源（这里是全局变量）。

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

std::mutex globalMutex;
int globalVar = 10;

void threadFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(globalMutex);
    globalVar++;
    std::cout << "线程修改后的全局变量 globalVar: " << globalVar << std::endl;
}

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

    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

3. 线程局部存储（Thread - Local Storage, TLS）：使用线程局部存储，每个线程都有自己独立的变量副本，避免了对全局变量的竞争。

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

thread_local int localVar = 0;

void threadFunction() {
    localVar++;
    std::cout << "线程局部变量 localVar: " << localVar << std::endl;
}

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

    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在实际编程中，根据具体需求选择合适的方法。如果需要所有线程共享一个全局变量并保证其操作的原子性，使用互斥锁；如果每个线程需要有自己独立的变量副本，则使用线程局部存储。同时，注意合理命名变量，尽量避免局部变量与全局变量同名的情况。