C++ 並發程式設計中的工程與設計模式？

C++ 並發程式設計涉及共享資源和同步操作，需要工程和設計模式來解決挑戰。工程模式包括多執行緒、行程、執行緒池、信號量和原子操作，用於有效管理執行緒。設計模式包括生產者-消費者隊列、讀者-寫者鎖、死鎖避免、預防飢餓和分治與征服，用於協調資料存取和處理。這些模式可應用於實際問題，如影像處理和日誌服務，以實現高效的並發程序。

C++ 並發程式設計中的工程與設計模式

引言

並發程式設計需要妥善處理共享資源和同步操作，以避免資料一致性問題。 C++ 為解決這些挑戰提供了各種工程和設計模式，本文將深入探討這些模式。

工程模式

• 多執行緒：同時執行多個任務，提高效能。
• 進程：隔離的執行環境，與其他行程共用作業系統資源。
• 執行緒池：預先分配的執行緒集合，減少執行緒建立開銷。
• 信號量：同步機制，限制對共享資源的並發存取。
• 原子操作：在單執行緒環境中對單一記憶體位置進行原子操作。

實戰案例：

考慮使用執行緒池進行映像處理。圖像讀取和處理可以分配給池中的多個線程。

#include <vector>
#include <future>
#include <thread>

void process_image(const std::string& filename) {
  // Image processing logic here
}

int main() {
  // 创建线程池
  std::vector<std::thread> pool;
  int num_threads = 8;
  for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
    pool.push_back(std::thread([] {
      // 该线程将执行 image_processing()
    }));
  }

  // 提交任务到池
  std::vector<std::future<void>> results;
  std::vector<std::string> filenames = {"image1.jpg", "image2.jpg", ...};
  for (const auto& filename : filenames) {
    results.push_back(std::async(std::launch::async, process_image, filename));
  }

  // 等待任务完成
  for (auto& result : results) {
    result.wait();
  }

  // 关闭线程池
  for (auto& thread : pool) {
    thread.join();
  }

  return 0;
}

設計模式

• 生產者-消費者隊列：隊列抽象，允許生產者向隊列寫入數據，而消費者從隊列讀取資料。
• 讀者-寫者鎖定：同步機制，限制對共享資料的並發讀寫存取。
• 死鎖避免：透過謹慎的資源取得和釋放順序來防止死鎖。
• 預防飢餓：確保每個執行緒都有機會取得資源，避免某些執行緒長期處於飢餓狀態。
• 分治與征服：將問題分解為更小的並發子任務，然後合併結果。

實戰案例：

考慮使用生產者-消費者佇列實作一個日誌服務。生產者執行緒記錄事件，而消費者執行緒處理日誌並將其寫入檔案。

#include <queue>
#include <mutex>
#include <thread>

std::queue<std::string> log_queue;
std::mutex log_queue_mutex;

void write_log(const std::string& entry) {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(log_queue_mutex);
  log_queue.push(entry);
}

void process_logs() {
  while (true) {
    std::string entry;
    {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(log_queue_mutex);
      if (log_queue.empty()) {
        // 队列为空时，防止忙等待
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        continue;
      }
      entry = log_queue.front();
      log_queue.pop();
    }
    // 处理日志项
  }
}

int main() {
  // 创建生产者线程
  std::thread producer(write_log, "Log entry 1");
  // 创建消费者线程
  std::thread consumer(process_logs);

  producer.join();
  consumer.join();

  return 0;
}

結論

透過採用合適的工程和設計模式，C++ 程式設計師可以有效地實現並發程序，最大限度地提高效能和減少資料一致性問題。

以上是C++ 並發程式設計中的工程與設計模式？的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！