Wie implementiert man threadsichere Datenstrukturen in C++-Funktionen?

Wie implementiert man threadsichere Datenstrukturen in C++-Funktionen? Verwenden Sie Mutex-Sperren, um kritische Abschnitte (gemeinsam genutzte Daten) zu schützen. Beispiel für ein threadsicheres dynamisches Array: Verwendung eines Mutex zum Schutz von Daten in einem std::vector. Praktischer Fall: Thread-sichere Warteschlange, Verwendung von Mutex-Sperren und Bedingungsvariablen, um Thread-Sicherheit von Nachrichtenwarteschlangen zu erreichen.

Wie implementiert man threadsichere Datenstrukturen in C++-Funktionen?

In Multithread-Anwendungen kann der gleichzeitige Zugriff auf gemeinsam genutzte Daten zu Race Conditions und Datenbeschädigung führen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, gemeinsam genutzte Datenstrukturen threadsicher zu machen, um sicherzustellen, dass jeder Thread sicher auf die Daten zugreifen und diese ändern kann.

Eine einfache Möglichkeit, threadsichere Datenstrukturen zu implementieren, ist die Verwendung von Mutex-Sperren. Ein Mutex ist ein Synchronisationsprimitiv, das jeweils nur einem Thread den Zugriff auf einen kritischen Abschnitt (gemeinsam genutzte Daten) ermöglicht. Das folgende Codebeispiel zeigt, wie ein Mutex zum Schutz von Daten in einem dynamischen Array verwendet wird:

#include <mutex>
#include <vector>

std::mutex m;

// 线程安全的动态数组
class ThreadSafeVector {
public:
    void push_back(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        v.push_back(value);
    }
    
    int get(size_t index) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return v[index];
    }

private:
    std::vector<int> v;
};

int main() {
    ThreadSafeVector v;
    v.push_back(1);
    int value = v.get(0);
    // ...
}

In diesem Beispiel wird std::lock_guard als RAII-Wrapper (Ressourcenerfassung, d. h. Initialisierung) verwendet Wird beim Betreten eines kritischen Abschnitts verwendet. Erwirbt beim Verlassen des kritischen Abschnitts automatisch die Mutex-Sperre und gibt die Mutex-Sperre beim Verlassen des kritischen Abschnitts automatisch frei. Dadurch wird sichergestellt, dass jeweils nur ein Thread auf den v-Vektor zugreifen kann. std::lock_guard 用作 RAII（资源获取即初始化）封装，它在进入临界区时自动获取互斥锁，并在退出临界区时自动释放互斥锁。这确保了在同一时间只有一个线程能访问 v 向量。

实战案例：线程安全的队列

假设我们有一个多线程应用程序，线程需要共享一个消息队列。为了使队列线程安全，可以使用互斥锁和条件变量来实现：

#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

std::mutex m;
std::condition_variable cv;

class ThreadSafeQueue {
public:
    void push(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        q.push(value);
        cv.notify_one();
    }
    
    int pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this]{ return !q.empty(); });
        int value = q.front();
        q.pop();
        return value;
    }

private:
    std::queue<int> q;
};

int main() {
    ThreadSafeQueue q;
    // ...
}

在这种情况下，std::condition_variable 用于通知线程队列中是否有新的消息。std::unique_lock 用于锁定和解锁互斥锁，同时还可以通过 cv.wait()

🎜Praktischer Fall: Thread-sichere Warteschlange🎜🎜🎜Angenommen, wir haben eine Multithread-Anwendung und Threads müssen sich eine Nachrichtenwarteschlange teilen. Um die Warteschlange threadsicher zu machen, kann dies mithilfe eines Mutex und einer Bedingungsvariablen erreicht werden: 🎜rrreee🎜 In diesem Fall wird std::condition_variable verwendet, um den Thread zu benachrichtigen, wenn eine neue Nachricht vorliegt in der Warteschlange. std::unique_lock wird zum Sperren und Entsperren von Mutexes verwendet und kann den Thread auch über die Methode cv.wait() in den Ruhezustand versetzen, bis neue Nachrichten in der Warteschlange sind. 🎜

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