C++ 进阶面试题, C++ 什么场景用线程?什么场景用协程?

Step 1

Q:: C++中线程和协程的区别是什么？

A:: 线程是操作系统调度的基本单位，拥有独立的堆栈空间，通常用于处理并发任务。协程则是一种轻量级的线程，在用户空间内管理，通常不依赖于操作系统内核，而是在单线程中实现并发。线程切换依赖于操作系统调度，而协程的切换是在用户空间内通过特定的API手动控制。

Step 2

Q:: 什么时候使用线程，什么时候使用协程？

A:: 使用线程适合在需要利用多核CPU并行处理任务时，如I/O操作、计算密集型任务等。协程适合处理大量I/O密集型任务，特别是需要在单线程环境下处理的场景，比如高并发网络服务器、异步编程等场景中，协程能够减少线程上下文切换的开销，提高性能。

Step 3

Q:: C++中如何创建线程？

A:: 在C++中，可以使用标准库中的std::thread来创建线程。线程创建的基本用法是构造一个std::thread对象，并传入一个可调用对象（如函数指针、lambda表达式等），创建线程后可以通过join()或detach()来管理线程的生命周期。

Step 4

Q:: C++中如何实现协程？

A:: 在C++20及以上版本中，可以使用标准库提供的协程功能来实现协程。通过co_await``, co_yield和co_return关键字定义一个协程函数，并使用std::coroutine_handle来控制协程的生命周期。在旧版本中，可以使用第三方库如Boost.Asio或手动实现状态机来模拟协程。

Step 5

Q:: 在C++中，线程安全如何实现？

A:: 线程安全通常通过互斥锁（如std::mutex）、读写锁（如std::shared_mutex）、条件变量（如std::condition_variable）等机制来实现，以确保多个线程在访问共享资源时不会产生竞态条件。线程安全还可以通过设计无锁数据结构来实现，以提高程序并发性能。

Step 6

Q:: C++中如何实现线程间通信？

A:: 线程间通信可以通过多种方式实现，如使用条件变量、信号量、消息队列等机制。C++标准库提供了std::condition_variable用于线程同步，使用std::atomic可以实现无锁的共享数据访问，此外还可以通过管道或套接字实现线程间通信。

Step 1

Q:: C++ 并发编程中什么情况下应该使用线程？

A:: 线程适合用于需要并行执行的任务，并且这些任务相互独立且资源密集型，例如计算密集型任务（如矩阵乘法、大规模数据处理）或需要并行执行的 I/O 密集型任务（如处理多个客户端请求）。线程的使用在需要充分利用多核处理器的计算能力时尤为重要。此外，当任务之间几乎没有共享状态或需要并行地执行任务并且这些任务不会频繁地阻塞时，使用线程是最合适的。

Step 2

Q:: 什么情况下在 C++ 中选择协程而不是线程？

A:: 协程适合用于任务之间需要频繁切换，并且这些任务通常是 I/O 密集型或需要长时间等待外部事件（如网络 I/O、文件 I/O）的场景。协程允许在等待时将控制权交还给调度器，从而提高 CPU 的利用率。与线程不同，协程是由程序员手动管理的，它们可以在任务完成前暂停和恢复，因此在避免线程上下文切换的开销时，协程提供了轻量级的并发解决方案。

Step 3

Q:: C++ 中如何实现一个线程池？

A:: 线程池是一组预先创建好的线程，用于执行一系列任务，从而避免了为每个任务单独创建线程的开销。实现线程池的步骤包括：1) 创建一个固定数量的线程；2) 使用线程安全的数据结构（如队列）存储任务；3) 每个线程循环从队列中取出任务并执行；4) 任务完成后，线程继续从队列中获取新的任务。C++ 中可以使用标准库中的 std::thread 和 std::mutex 来实现线程池。

Step 4

Q:: 如何解决多线程编程中的数据竞争问题？

A:: 数据竞争是指多个线程试图同时访问和修改共享数据，导致数据不一致的情况。解决数据竞争的常用方法包括：1) 使用互斥锁（std::mutex）保护共享数据，确保在同一时间只有一个线程能够访问数据；2) 使用原子操作（std::atomic）进行简单的共享变量操作，避免使用锁的开销；3) 使用更高级的同步机制，如条件变量（std::condition_variable）或读写锁（std::shared_mutex）。