C++ 並發程式設計中執行緒同步機制的比較與選擇？

C++ 並發程式設計中執行緒同步機制的比較和選擇

#引言

在多執行緒程式設計中，執行緒同步是至關重要的，它可以防止資料競爭和確保線程安全。 C++ 提供了多種線程同步機制，每種機制都有其優缺點。本文將對這些機制進行比較，並指導讀者選擇最適合其特定應用程式的機制。

執行緒同步機制

#互斥（mutex，互斥物件）

• 提供對臨界區的互斥訪問。
• 優點：簡單易用，效率高。
• 缺點：容易死鎖，因為線程一旦獲取了互斥量，它就會一直持有它，直到釋放它為止。

條件變數（conditional variable）

• #配合互斥量使用，允許執行緒在滿足特定條件時等待。
• 優點：可以避免死鎖，因為執行緒會在條件不滿足時釋放互斥。
• 缺點：比互斥量更複雜，效率稍低。

信號量（semaphore）

• #控制對共享資源的存取。
• 優點：可以控制資源的可用性，防止執行緒過度存取共享資源。
• 缺點：比互斥量和條件變數更複雜，效率更低。

讀寫鎖定（read-write lock）

• #專為同時支援讀寫存取的場景而設計。
• 優點：允許多個執行緒同時讀取共享數據，而只允許一個執行緒寫入資料。
• 缺點：比互斥量和條件變數更複雜，效率稍低。

原子運算

• 提供對單一變數或記憶體位置的原子存取。
• 優點：效率高，無需任何其他同步機制。
• 缺點：僅適用於簡單的場景，不支援複雜的同步需求。

選擇準則

選擇適當的同步機制時，應考慮以下因素：

• ##臨界區的複雜性：更複雜的臨界區需要更複雜的同步機制。
• 死鎖的可能性：如果死鎖是一個問題，則需要使用可以避免死鎖的機制（例如條件變數）。
• 並發性水平：如果應用程式涉及大量線程，則需要使用更具可擴展性的機制（例如讀寫鎖定或信號量）。
• 效率：考慮機制的開銷和對應用程式效能的影響。

實戰案例

互斥：

std::mutex m;
void myFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    // 临界区代码
}

條件變數：

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

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

void notify() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    ready = true;
    cv.notify_all();
}

信號量：

std::counting_semaphore<int> semaphore(5);
void myFunction() {
    semaphore.acquire();
    // 临界区代码
    semaphore.release();
}

讀取寫入鎖定：

std::shared_timed_mutex m;
void read() {
    std::shared_lock<std::shared_timed_mutex> lock(m);
    // 读操作
}

void write() {
    std::unique_lock<std::shared_timed_mutex> lock(m);
    // 写操作
}

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