C++基础面试题, 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:: 要设计一个线程安全的类，通常需要确保类的成员变量在多线程环境下不会出现数据竞争或其他并发问题。通常的方法包括： 1. 使用互斥锁（mutex）保护共享数据。 2. 对于读写操作较多的场景，可以使用读写锁（shared_mutex）。 3. 如果类中的数据是不可变的，设计为不可变对象也是一种线程安全的策略。 4. 使用原子操作（atomic）处理简单的计数器或标志位。 5. 避免死锁，确保锁的顺序一致，或使用std::lock()同时锁定多个资源。

例如，下面是一个简单的线程安全计数器类的实现：

 
#include <mutex>
 
class ThreadSafeCounter {
private:
    int counter;
    std::mutex mtx;
 
public:
    ThreadSafeCounter() : counter(0) {}
 
    void increment() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }
 
    int get() const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return counter;
    }
};
 

Step 2

Q:: C++ 中的mutex和atomic有什么区别？

A:: 在C++中，mutex和atomic都是用于处理多线程并发问题的工具，但它们有不同的用途：

1. mutex：用于保护某段代码或某个资源，使得在同一时间内只有一个线程可以访问该资源。它适用于复杂的读写操作场景。需要显式锁定和解锁。

2. atomic：用于处理简单的变量，如整数或指针的原子操作，它无需显式锁定，可以保证在多线程环境下的安全性。atomic操作的开销通常比mutex低，适合简单的计数器、标志等场景。

Step 3

Q:: 什么是数据竞争（Data Race）？如何避免？

A:: 数据竞争是指多个线程在没有适当同步的情况下同时访问同一块内存，并且至少有一个线程在进行写操作的情况。这种竞争会导致不可预期的行为。避免数据竞争的常见方法包括：

1. 使用互斥锁（mutex）来保护共享数据。 2. 使用原子操作（atomic）进行简单的变量操作。 3. 避免共享数据，或者尽量减少共享数据的范围。 4. 使用线程局部存储（thread-local storage）以避免多个线程共享数据。

Step 4

Q:: 如何避免死锁（Deadlock）？

A:: 避免死锁的一些常见方法包括：

1. 确保所有线程以相同的顺序获取锁，这样可以避免循环依赖。 2. 使用std::lock()同时锁定多个互斥量。 3. 避免嵌套锁定，尽量减少锁的持有时间。 4. 使用死锁检测机制，例如通过尝试锁定来检测并处理潜在的死锁。 5. 考虑设计方案以避免需要多个锁的情况，例如使用更粗粒度的锁。