C++ 并发编程面试题, C++ 中如何设计一个线程安全的类?

Step 1

Q:: C++ 中如何设计一个线程安全的类？

A:: 设计一个线程安全的类需要确保多个线程可以同时访问或修改类的状态而不会引发数据竞争或未定义行为。通常需要使用互斥锁（如 std::mutex）来保护共享数据，并可以使用 RAII 机制来确保锁的自动释放。例如，在类的成员函数中使用 std::lock_guard 或 std::unique_lock 来确保线程安全。此外，还可以考虑使用线程安全的容器（如 std::atomic）来避免显式的锁机制。

Step 2

Q:: 什么是RAII（Resource Acquisition Is Initialization），它在多线程编程中的作用是什么？

A:: RAII是一种C++编程惯用法，它将资源的获取与对象的生命周期绑定。RAII 的对象在构造函数中获取资源（如内存、文件句柄、互斥锁），并在析构函数中释放资源。在多线程编程中，RAII 可以确保互斥锁等资源在异常或提前退出时自动释放，防止死锁和资源泄漏。

Step 3

Q:: C++11 引入了哪些新的并发特性？

A:: C++11 引入了诸多并发特性，如 std::thread 类用于创建和管理线程，std::mutex、std::recursive_mutex 等用于线程同步，std::lock_guard 和 std::unique_lock 用于自动管理锁的生命周期。还引入了条件变量 std::condition_variable，用于线程间的等待和通知机制。此外，C++11 还引入了 std::atomic 类，提供了对基本类型的原子操作支持，以避免数据竞争。

Step 4

Q:: 什么是数据竞争，如何避免？

A:: 数据竞争发生在两个或多个线程在没有同步机制的情况下同时访问同一共享变量，并且至少有一个线程修改了该变量。数据竞争可能导致未定义行为。避免数据竞争的主要方法是使用互斥锁（如 std::mutex）来保护对共享变量的访问，确保在任何时候只有一个线程能够访问共享数据。还可以使用原子操作（如 std::atomic）来避免显式锁的使用。

Step 5

Q:: 什么是死锁，如何检测和避免？

A:: 死锁是指两个或多个线程相互等待对方持有的资源，从而导致所有线程都无法继续执行。检测死锁较为困难，但可以通过避免以下四个必要条件中的一个或多个来预防：互斥条件、持有并等待、不可剥夺、循环等待。常用的预防方法包括：使用锁的顺序来避免循环等待、使用 std::try_lock 尝试获取多个锁、或者使用带超时的锁定方法 std::unique_lock<std::mutex>::try_lock_for。

Step 1

Q:: 如何设计一个线程安全的C++类？

A:: 设计一个线程安全的C++类涉及到多个方面，如锁机制、原子操作、条件变量等。通常的做法是使用std::mutex来保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问这些资源。你可以在类中引入一个私有的std::mutex对象，然后在需要保护的代码段加锁。另外，也可以使用std::lock_guard或std::unique_lock来自动管理锁的生命周期，避免死锁和异常安全问题。

Step 2

Q:: 什么是std::lock_guard，它与std::unique_lock的区别是什么？

A:: std::lock_guard是一个RAII风格的锁管理工具，它在构造时锁定给定的std::mutex对象，并在析构时自动释放锁。它非常适合简单的场景。std::unique_lock提供了更多的灵活性，例如可以延迟锁定、提前释放锁，并且能够传递锁的所有权。unique_lock在需要更复杂的锁管理时更为合适。

Step 3

Q:: 如何避免死锁问题？

A:: 避免死锁可以通过几种方式：1. 避免嵌套锁，即减少同时持有多个锁的情况。2. 保持一致的锁顺序，即所有线程都以相同的顺序获取锁。3. 使用std::lock来同时锁定多个互斥量，以避免竞争条件。4. 尽量减少锁的持有时间，避免在持有锁时执行可能阻塞的操作。

Step 4

Q:: C++11中的std::atomic如何实现线程安全？

A:: std::atomic提供了对基本类型的原子操作，可以在不使用锁的情况下保证线程安全。它通过硬件支持的原子指令实现，这使得它比使用互斥锁更高效，特别是在高竞争的场景下。std::atomic支持的操作包括读写、交换、递增、递减等。