面试题：C++多线程下全局变量引用的内存模型分析

Question

在C++多线程环境中，已知一个全局变量 `std::vector<int> globalVec;`，多个线程会对其进行插入和读取操作。请详细阐述C++内存模型在这种情况下如何影响全局变量 `globalVec` 的访问一致性，以及如何通过合适的同步机制来保证数据的正确性，同时说明不同同步机制对性能的影响。

Answer 1

C++内存模型对全局变量 globalVec 访问一致性的影响

1. 可见性问题：在多线程环境下，每个线程可能有自己的缓存。当一个线程修改了 globalVec，其他线程可能不会立即看到这个修改。这是因为C++内存模型允许编译器和处理器对内存操作进行重排序，以提高性能。例如，线程A修改了 globalVec 后，可能会先将修改暂存于缓存中，而没有立即写回主存，此时线程B从主存读取 globalVec 时，就无法获取到线程A的最新修改。
2. 数据竞争：多个线程同时对 globalVec 进行读写操作，如果没有适当的同步，就会出现数据竞争。数据竞争会导致未定义行为，例如读取到部分修改的数据，或者修改操作相互覆盖，使得最终 globalVec 的状态不可预期。

保证数据正确性的同步机制

1. 互斥锁（std::mutex）
   • 原理：互斥锁用于保护共享资源，在同一时间只有一个线程能够获取锁并访问 globalVec。当一个线程获取到锁后，其他线程必须等待锁被释放才能获取锁并访问 globalVec。
   • 示例代码：

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

std::vector<int> globalVec;
std::mutex vecMutex;

void insertData(int value) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(vecMutex);
    globalVec.push_back(value);
}

int readData(int index) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(vecMutex);
    if (index < globalVec.size()) {
        return globalVec[index];
    }
    return -1;
}

- **性能影响**：互斥锁会引入同步开销，因为线程在获取锁时可能会阻塞，这会降低系统的并发性能。如果频繁地获取和释放锁，会导致线程上下文切换频繁，增加CPU开销。

2. 读写锁（std::shared_mutex） - 原理：读写锁允许多个线程同时进行读操作，但只允许一个线程进行写操作。当有线程进行写操作时，其他读写线程都必须等待。这样可以提高读操作的并发性能，因为读操作不会修改数据，不会产生数据竞争。 - 示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
#include <shared_mutex>

std::vector<int> globalVec;
std::shared_mutex vecMutex;

void insertData(int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(vecMutex);
    globalVec.push_back(value);
}

int readData(int index) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(vecMutex);
    if (index < globalVec.size()) {
        return globalVec[index];
    }
    return -1;
}

- **性能影响**：读写锁在读写操作比例不均衡的场景下有较好的性能表现。如果读操作远多于写操作，多个读线程可以同时获取共享锁进行读操作，而写操作时会独占锁，相比互斥锁，减少了读操作的等待时间，提高了并发性能。但如果写操作频繁，写操作的等待时间会增加，因为每次写操作都需要独占锁。

3. 条件变量（std::condition_variable） - 原理：条件变量通常与互斥锁配合使用，用于线程间的同步通信。当某个条件满足时，通知等待的线程。例如，当 globalVec 为空时，读取线程可以等待，直到有其他线程插入数据后，通过条件变量通知读取线程。 - 示例代码：

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

std::vector<int> globalVec;
std::mutex vecMutex;
std::condition_variable dataAvailable;

void insertData(int value) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(vecMutex);
    globalVec.push_back(value);
    lock.unlock();
    dataAvailable.notify_one();
}

int readData() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(vecMutex);
    dataAvailable.wait(lock, []{ return!globalVec.empty(); });
    int value = globalVec.back();
    globalVec.pop_back();
    return value;
}

- **性能影响**：条件变量本身不会直接影响性能，但如果使用不当，例如过度通知或通知不及时，可能会导致线程不必要的唤醒或等待，增加系统开销。在合理使用的情况下，它能有效地实现线程间的同步，提高整体性能。