C++多线程编程初体验，线程及同步机制全攻略

2023-05-11 12:20:59

多线程编程：揭秘效率提升背后的魅力

随着数字化时代的迅猛发展，软件开发面临着严峻的挑战：如何让程序更快、更有效地处理海量数据和复杂任务？多线程编程应运而生，就像一场编程革命，彻底改变了软件开发的方式。

C++多线程编程初探：迈向并行计算的新世界

在C++中，我们可以利用<thread>库轻松创建和管理线程。线程本质上是独立执行的代码片段，它们可以同时运行，显著提升程序的效率。例如，我们可以创建一个线程来处理耗时的任务，而主线程继续执行其他操作，互不干扰。

线程创建与管理：灵活控制并行执行

创建线程非常简单，只需调用<thread>库中的create()函数即可。我们可以通过函数指针、成员函数指针或lambda表达式来指定线程执行的任务。

// 使用函数指针创建线程
void print_hello() {
  std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
}

int main() {
  std::thread thread1(print_hello);
  thread1.join();

  return 0;
}

同步机制的重要性：协调线程间的安全访问

当多个线程同时访问共享数据时，很容易发生数据竞争，导致程序崩溃或产生不一致的结果。为了避免这些问题，我们需要使用同步机制来协调线程之间的访问。

互斥量：独占访问的利器

互斥量（mutex）是一种经典的同步机制，它允许一次只有一个线程访问共享数据。互斥量的使用非常简单，只需在访问共享数据之前对其进行锁定，访问结束后再将其解锁。

std::mutex mutex;

void increment_counter() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
  ++counter;
}

int main() {
  std::thread thread1(increment_counter);
  std::thread thread2(increment_counter);

  thread1.join();
  thread2.join();

  std::cout << "Counter value: " << counter << std::endl;

  return 0;
}

条件变量：等待与通知的艺术

条件变量（condition variable）是一种高级同步机制，它允许线程在满足特定条件时被唤醒。条件变量的使用需要与互斥量配合使用，以确保线程对共享数据的访问是安全的。

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void producer() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
  ready = true;
  cv.notify_one();
}

void consumer() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
  cv.wait(lock, [] { return ready; });

  // Do something with the data
}

int main() {
  std::thread producer_thread(producer);
  std::thread consumer_thread(consumer);

  producer_thread.join();
  consumer_thread.join();

  return 0;
}

死锁：程序的噩梦

死锁是指两个或多个线程无限期地等待对方释放资源，导致程序陷入僵局。死锁是多线程编程中常见的问题，需要格外小心。

线程池：高效管理线程资源

线程池是一种管理线程的有效方式，它可以减少创建和销毁线程的开销，提高程序的性能。线程池通常由一组固定数量的线程组成，当有新任务需要执行时，线程池会从这些线程中分配一个来执行任务。

std::thread_pool pool(4);

void task(int n) {
  std::cout << "Task " << n << " is running" << std::endl;
}

int main() {
  for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    pool.submit(task, i);
  }

  pool.wait_for_tasks();

  return 0;
}