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C++面試題:多個線程像數(shù)組里面添加數(shù)據(jù),你會怎么設(shè)計這個數(shù)組?

開發(fā)
多線程環(huán)境下向數(shù)組添加數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)時,我們需要考慮線程安全。一般有以下三種常見的設(shè)計方案。

多線程環(huán)境下向數(shù)組添加數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)時,我們需要考慮線程安全。一般有幾種常見的設(shè)計方案: 

方案 1:互斥鎖保護動態(tài)數(shù)組

實現(xiàn)思路:使用互斥鎖(std::mutex)保護對數(shù)組的每次操作,確保同一時間只有一個線程修改數(shù)組。 這個方案是最簡單最常見的,編寫代碼也容易。 

代碼示例: 

#include <vector>
#include <mutex>

classThreadSafeVector {
private:
    std::vector<int> data;
    std::mutex mtx;

public:
    voidadd(int value){
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data.push_back(value);
    }
};
  • 優(yōu)點:簡單易實現(xiàn),直接利用標(biāo)準(zhǔn)庫。  
  • 缺點:高并發(fā)下鎖競爭可能成為性能瓶頸。  

方案 2:原子索引 + 預(yù)分配內(nèi)存

什么是原子索引? 

原子索引是一種在多線程環(huán)境下,通過 原子操作 管理共享資源(如數(shù)組寫入位置)的

技術(shù)。它的核心思想是使用原子變量(如 std::atomic)記錄當(dāng)前可寫入的位置索引,多個線程通過原子操作安全地競爭索引,避免數(shù)據(jù)競爭(Data Race)?!?/p>

實現(xiàn)思路:預(yù)分配固定大小的數(shù)組,通過原子變量管理當(dāng)前寫入位置索引。僅當(dāng)空間不足時,通過鎖動態(tài)擴容。  

代碼示例: 

#include <vector>
#include <atomic>
#include <mutex>

classConcurrentArray {
private:
    std::vector<int> data;
    std::atomic<size_t> index{0};
    std::mutex mtx;
    staticconstsize_t INIT_SIZE = 1024;

public:
    ConcurrentArray() {
        data.resize(INIT_SIZE);
    }

    voidadd(int value){
        size_t idx = index.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        if (idx < data.size()) {
            data[idx] = value;
        } else {
            // 處理擴容
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (idx >= data.size()) {
                data.resize(data.size() * 2);
            }
            data[idx] = value;
        }
    }
};
  • 優(yōu)點:大部分寫入操作無鎖,性能較高。  
  • 缺點:預(yù)分配可能導(dǎo)致內(nèi)存浪費,動態(tài)擴容時仍需加鎖。  

方案 3:線程本地存儲(Thread-Local Storage)

什么是線程本地存儲? 

線程本地存儲(TLS)是一種允許每個線程擁有獨立數(shù)據(jù)副本的機制。在多線程環(huán)境中,每個線程操作自己的本地數(shù)據(jù),無需與其他線程競爭共享資源,從而完全避免鎖的使用。當(dāng)需要全局匯總數(shù)據(jù)時,再通過同步機制(如鎖)合并各線程的本地數(shù)據(jù)?!?/p>

實現(xiàn)思路:每個線程使用本地數(shù)組緩存數(shù)據(jù),定期將數(shù)據(jù)合并到全局?jǐn)?shù)組。  

代碼示例: 

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

classThreadLocalArray {
private:
    thread_localstatic std::vector<int> local_data;
    std::vector<int> global_data;
    std::mutex mtx;

public:
    voidadd(int value){
        local_data.push_back(value);
        if (local_data.size() >= 100) { // 定期合并
            merge();
        }
    }

    voidmerge(){
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        global_data.insert(global_data.end(), local_data.begin(), local_data.end());
        local_data.clear();
    }
};
  • 優(yōu)點:完全無鎖寫入,合并時才需同步。  
  • 缺點:數(shù)據(jù)訪問延遲,合并時可能阻塞。  

三個方案對比測試

我們模擬寫入下:寫入 1 萬個數(shù)據(jù)和 10 萬個數(shù)據(jù) 

示例代碼: 

#include <iostream>
#include <vector>
#include <atomic>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <memory>

constexprint TOTAL_DATA = 10000;
constexprint THREAD_NUM = 4;
constexprint DATA_PER_THREAD = TOTAL_DATA / THREAD_NUM;

// 測試工具函數(shù)
template<typename T>
voidrun_test(T& container, const std::string& name){
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; ++i) {
        threads.emplace_back([&]() {
            for (int j = 0; j < DATA_PER_THREAD; ++j) {
                container.add(j);
            }
            });
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::chrono::duration<double> duration = end - start;

    std::cout << name << " Time: " << duration.count() << "s\n";
}

// 方案1:互斥鎖保護動態(tài)數(shù)組
classMutexVector {
    std::vector<int> data;
    std::mutex mtx;
public:
    voidadd(int value){
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data.push_back(value);
    }
};

// 方案2:原子索引+預(yù)分配內(nèi)存
classAtomicVector {
    std::vector<int> data;
    std::atomic<size_t> index{ 0 };
    std::mutex mtx;
public:
    AtomicVector() { data.resize(1024); }

    voidadd(int value){
        size_t idx = index.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        if (idx < data.size()) {
            data[idx] = value;
        }
        else {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (idx >= data.size()) data.resize(data.size() * 2);
            data[idx] = value;
        }
    }
};

// 方案3:線程本地存儲
classThreadLocalArray {
    thread_localstatic std::vector<int> local_data;
    std::vector<int> global_data;
    std::mutex mtx;
public:
    voidadd(int value){
        local_data.push_back(value);
        if (local_data.size() >= 100) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            global_data.insert(global_data.end(), local_data.begin(), local_data.end());
            local_data.clear();
        }
    }

    ~ThreadLocalArray() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        global_data.insert(global_data.end(), local_data.begin(), local_data.end());
    }
};
thread_local std::vector<int> ThreadLocalArray::local_data;

intmain(){
    // 測試方案1
    {
        MutexVector vec;
        run_test(vec, "MutexVector");
    }

    // 測試方案2
    {
        AtomicVector vec;
        run_test(vec, "AtomicVector");
    }

    // 測試方案3
    {
        ThreadLocalArray arr;
        run_test(arr, "ThreadLocalArray");
    }

    return0;
}

TOTAL_DATA = 10000; 

我在 VS2022 上運行結(jié)果如下圖: 

TOTAL_DATA = 100000; 

在 VS2022 上運行結(jié)果如下圖: 

可以看到數(shù)據(jù)量越大,方案 2 的性能越高?!?/p>

選擇建議

  • 低競爭場景:方案 1(互斥鎖)簡單可靠。
  • 高并發(fā)寫入:方案 2(原子索引)性能更優(yōu)。
  • 允許最終一致性:方案 3(線程本地存儲)避免鎖爭用。
責(zé)任編輯:趙寧寧 來源: CppPlayer
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