面试题：C++ 多线程网络编程中的锁机制

Question

在 C++ 网络编程结合多线程的场景下，经常会遇到资源竞争问题。请描述一下常见的锁机制（如互斥锁、读写锁）的原理和适用场景。并举例说明如何使用 C++ 的 std::mutex 和 std::lock_guard 来保护共享资源，假设共享资源是一个用于网络数据存储的 std::vector<int>。

Answer 1

常见锁机制原理及适用场景

1. 互斥锁（Mutex）
   • 原理：互斥锁是一种二元信号量，它只有两种状态：锁定（locked）和解锁（unlocked）。线程在访问共享资源前需要先获取互斥锁，将其状态设为锁定，访问结束后释放互斥锁，将其状态设为解锁。同一时间只有一个线程能获取到互斥锁，从而保证共享资源的线程安全。
   • 适用场景：适用于对共享资源的读写操作都需要保证线程安全的场景，无论读操作还是写操作都需要先获取互斥锁，防止多个线程同时访问共享资源造成数据不一致。
2. 读写锁（Read - Write Lock）
   • 原理：读写锁区分了读操作和写操作。允许多个线程同时进行读操作，因为读操作不会修改共享资源，不会造成数据不一致。但是写操作时，必须独占资源，防止其他线程读或写。当有线程在写时，其他线程无论是读还是写都需要等待。
   • 适用场景：适用于读操作远多于写操作的场景。读操作可以并发执行，提高系统性能，而写操作时保证数据一致性。

使用 std::mutex 和 std::lock_guard 保护共享资源示例

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

std::mutex mtx;
std::vector<int> networkData;

void addData(int num) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    networkData.push_back(num);
}

void printData() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    for (int num : networkData) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

在上述代码中，std::mutex mtx 定义了一个互斥锁。addData 函数和 printData 函数在访问 networkData 这个共享资源前，都通过 std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx) 创建了一个 lock_guard 对象，它在构造时自动获取互斥锁，在析构时自动释放互斥锁，从而保证了 networkData 操作的线程安全性。