面试题：C++多线程编程中互斥锁的使用场景及实现原理

Question

请阐述在C++多线程编程里，互斥锁（mutex）一般用于哪些场景？并简要说明其实现线程同步的原理。另外，使用C++标准库中的std::mutex，编写一段简单代码，实现两个线程交替打印数字1 - 10。

Answer 1

互斥锁（mutex）适用场景

1. 共享资源访问：当多个线程需要访问共享资源（如共享内存、文件、数据库连接等）时，为防止数据竞争，使用互斥锁确保同一时间只有一个线程能访问该资源。
2. 临界区保护：保护代码中的临界区，临界区是指访问共享资源的那段代码，互斥锁可以保证每次只有一个线程进入临界区执行代码。

线程同步原理

互斥锁有一个内部状态，用于表示锁的占用情况。在初始状态下，锁是未被占用的。当一个线程尝试获取（lock）互斥锁时，如果锁未被占用，该线程会成功获取锁并将其状态设为已占用，此时该线程可以进入临界区访问共享资源。当线程访问完共享资源后，会释放（unlock）互斥锁，将其状态重新设为未占用，以便其他线程可以获取锁进入临界区。如果一个线程尝试获取已被占用的互斥锁，该线程会被阻塞，直到持有锁的线程释放锁，这样就保证了同一时间只有一个线程能进入临界区，实现了线程同步。

代码实现

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

std::mutex mtx;
int num = 1;

void print_numbers(int id) {
    while (num <= 10) {
        mtx.lock();
        if (num <= 10) {
            std::cout << "Thread " << id << " prints " << num << std::endl;
            num++;
        }
        mtx.unlock();
    }
}

int main() {
    std::thread t1(print_numbers, 1);
    std::thread t2(print_numbers, 2);

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

    return 0;
}

在这段代码中，定义了一个std::mutex对象mtx用于保护共享变量num。两个线程t1和t2在函数print_numbers中尝试获取互斥锁mtx，获取成功后打印当前num的值并递增num，然后释放互斥锁，从而实现两个线程交替打印数字1 - 10。