面试题：C++并发编程中的性能优化与死锁避免

Question

在一个复杂的C++多线程项目中，有多个线程同时访问和修改多个共享资源，可能会出现死锁问题。请描述你会采用哪些策略来检测和避免死锁，并说明如何通过优化线程同步机制来提升整体性能，例如在高并发场景下如何合理使用无锁数据结构或原子操作。

Answer 1

检测死锁策略

1. 死锁检测算法：实现基于资源分配图算法，如银行家算法。定期检查系统状态，分析资源分配图是否存在环，若存在则表明可能出现死锁。
2. 日志记录与分析：在关键的资源获取和释放操作处添加详细日志，记录线程ID、资源ID及操作时间等信息。通过分析日志文件来发现潜在死锁模式。

避免死锁策略

1. 资源分配策略：
   • 按序分配：给所有共享资源分配一个唯一序号，线程只能按照序号递增顺序获取资源，这样可避免循环等待。
   • 一次性分配：线程在开始执行前，一次性请求所需的所有资源，若无法全部获取则不获取任何资源，从而避免部分资源持有导致的死锁。
2. 锁层次化：将锁按照一定层次结构组织，线程必须按照层次顺序获取锁，禁止跨层次获取锁。

优化线程同步机制提升性能

1. 无锁数据结构：
   • 适用场景：对于读多写少的场景，如缓存数据结构，使用无锁数据结构（如无锁队列、无锁哈希表）可避免锁竞争。例如，在高并发日志记录场景中，无锁队列可以高效地处理日志写入。
   • 实现方式：利用原子操作和内存屏障来保证数据一致性。如在无锁队列中，使用原子指针操作来实现入队和出队操作。
2. 原子操作：
   • 基本原子操作：对于简单的共享变量（如计数器），使用原子类型（如std::atomic<int>）。原子操作可以在不使用锁的情况下保证操作的原子性，避免数据竞争。
   • 复杂原子操作：对于复杂操作，可以使用原子操作库提供的更高级功能，如std::atomic_compare_exchange_weak来实现更复杂的同步逻辑，在高并发环境下提升性能。