面试题：C++类成员回调函数在多线程环境下的性能优化与同步机制

同步机制设计

同步原语选择
- 互斥锁（Mutex）：用于保护共享数据，确保在同一时间只有一个线程能够访问这些数据。例如，当多个线程可能同时访问和修改类的某个成员变量时，在访问该变量前后加锁解锁。
- 条件变量（Condition Variable）：用于线程间的通信和同步。当某个条件满足时，通过条件变量通知等待的线程。比如，在生产者 - 消费者模型中，当缓冲区有数据时，生产者线程通过条件变量通知消费者线程。
- 信号量（Semaphore）：可以控制同时访问共享资源的线程数量。如果共享资源有一定的数量限制，例如数据库连接池的连接数量有限，就可以使用信号量来管理。
处理死锁问题
- 破坏死锁的四个必要条件：
  - 互斥条件：无法完全破坏，因为共享数据必须互斥访问。
  - 占有并等待条件：可以要求线程一次性获取所有需要的锁，而不是获取部分锁后再等待其他锁。例如，在进入某个关键代码段前，先获取所有相关的锁。
  - 不可剥夺条件：当检测到死锁时，可以通过某种机制剥夺某个线程的锁资源，让其他线程能够继续执行。例如，在操作系统层面可以通过优先级等方式剥夺锁。
  - 循环等待条件：对锁进行排序，要求线程按照固定顺序获取锁。例如，为所有锁分配一个唯一的ID，线程总是先获取ID小的锁，再获取ID大的锁。
- 死锁检测：定期检查线程的锁持有情况和等待状态，当发现有循环等待的情况时，采取相应措施，如终止某个线程或者释放部分锁资源。
同步操作对整体性能的影响
- 积极影响：通过同步机制保证了数据一致性，避免了数据竞争导致的未定义行为和错误结果，提高了程序的稳定性和正确性。这在一些对数据准确性要求极高的场景，如金融计算等非常重要。
- 消极影响：同步操作会引入额外的开销，例如加锁解锁操作需要时间，可能导致线程上下文切换等。过多的同步操作会降低并行度，使程序的性能瓶颈出现在同步操作上，降低整体执行效率。

代码示例（以C++为例）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

class SharedData {
public:
    void addData(int value) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        dataQueue.push(value);
        lock.unlock();
        condVar.notify_one();
    }

    bool getData(int& value) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        condVar.wait(lock, [this] { return!dataQueue.empty(); });
        if (dataQueue.empty()) {
            return false;
        }
        value = dataQueue.front();
        dataQueue.pop();
        return true;
    }

private:
    std::queue<int> dataQueue;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable condVar;
};

void producer(SharedData& sharedData) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        sharedData.addData(i);
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
    }
}

void consumer(SharedData& sharedData) {
    int value;
    while (true) {
        if (sharedData.getData(value)) {
            std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;
        } else {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        }
    }
}

int main() {
    SharedData sharedData;
    std::thread producerThread(producer, std::ref(sharedData));
    std::thread consumerThread(consumer, std::ref(sharedData));

    producerThread.join();
    consumerThread.join();

    return 0;
}

在上述代码中：

SharedData类包含一个队列dataQueue用于存储数据，一个互斥锁mutex_保护队列，一个条件变量condVar用于线程间通信。
addData函数在向队列添加数据前加锁，添加完成后解锁并通知等待的线程。
getData函数使用条件变量等待队列有数据，获取数据前加锁，获取后解锁。
producer线程模拟生产者向共享数据添加数据，consumer线程模拟消费者从共享数据获取数据。

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面试题：C++类成员回调函数在多线程环境下的性能优化与同步机制

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面试题答案

同步机制设计

代码示例（以C++为例）