C++ 并发与多线程专题

C++ 后端/客户端面试的第二部分经常考多线程：std::thread、mutex、condition_variable、atomic、数据竞争、死锁。C++ 本身不考操作系统底层那么深，重点在「使用正确 + 原理」。

一、核心概念

• 线程与进程：进程是资源分配单位、线程是调度单位；同进程线程共享地址空间（堆/全局），各自独立栈。
• 数据竞争（data race）：两个及以上线程同时访问同一内存，至少一个在写且未同步 → UB。
• 竞态条件（race condition）：执行结果依赖交错顺序，即使无数据竞争也不一定正确。

二、常用同步工具

工具	用途
std::mutex / lock_guard / unique_lock	互斥，RAII 自动解锁
std::atomic<T>	原子变量（lock-free for 常用整数）、内存序
std::condition_variable	条件等待 / 通知
std::future / std::promise	一次性返回值通道
std::async	异步任务
std::thread / jthread(C++20)	线程，join 管理
shared_mutex（C++17）	读写锁
call_once	只执行一次

三、高频自测（含答案）

1. 多线程加锁怎么写？lock_guard vs unique_lock？

答案

lock_guard 构造即锁、析构即解锁、不可手动解锁，轻量；unique_lock 可延迟加锁/手动解锁/配合条件变量，更灵活但略重。详见 threads-basics.md。

2. 什么是死锁？四个必要条件 + 如何避免？

答案

互斥、占有且等待、不可剥夺、循环等待四条件同时成立才死锁。破坏其一即可：按固定顺序加锁、std::lock 一次锁多个、try_lock、RAII、设超时。详见 deadlock-singleton.md。

3. 条件变量怎么用？为什么必须配合锁？虚假唤醒？

答案

wait 会释放锁并阻塞、被 notify 唤醒后重新加锁；必须配锁因为判断条件要原子（条件与共享数据相关）。虚假唤醒可能发生，所以要用 while (条件不满足) wait(...) 重查。

4. 手写线程安全单例？

答案

C++11 起局部 static 初始化天然线程安全（Magic Static）最简单；或 call_once；双重检查锁定需配合 atomic + 正确的内存序。详见 deadlock-singleton.md。

5. std::atomic 的内存序？

答案

seq_cst 最强、全局一致顺序；acquire/release 成对建立 happens-before；relaxed 只保证原子性、无顺序。按需选更弱序换取性能。详见 atomic-memoryorder.md。

6. volatile 与 atomic 的关系？

答案

无关。volatile 只阻止编译器优化该变量的读写（用于硬件/信号），不保证原子性、可见性、顺序；atomic 保证原子操作和内存序。并发必须用 atomic 而非 volatile。

7. 生产者-消费者模型实现？

答案

互斥锁 + 条件变量（not_empty/not_full）+ 有界缓冲；或无锁环形队列。详见 threads-basics.md。

8. 数据竞争如何用工具检测（TSan）？

答案

ThreadSanitizer，编译加 -fsanitize=thread，运行期检测数据竞争并报告位置。详见 threads-basics.md。

子文档

文件	内容
hpc-intro.md	HPC 并发总览（线程数/Amdahl/避免争用）
threads-basics.md	线程、mutex、条件变量、生产者消费者
atomic-memoryorder.md	atomic 与内存序、volatile 对比
deadlock-singleton.md	死锁、单例、锁的选择
thread-pool.md	线程池（含工作窃取、手写）
lockfree.md	无锁编程（CAS/ABA/hazard）
lock-optimize.md	锁优化、假共享、自旋 vs 互斥、读写锁
parallel-algo.md	并行算法、分治、任务图/流水线
coroutine.md	C++20 协程 co_await/机制
手写并发件	手写 SPSC 无锁环 / 有界阻塞队列 / 单写多读快照发布（跨到 C++ 手写专题）