C++中的多執行緒程式設計技巧

隨著電腦硬體的不斷提升，越來越多的軟體開始使用多執行緒技術以提高程式的效能和反應速度。 C 語言是一門支援多執行緒程式設計的語言，本篇文章將介紹一些C 中的多執行緒程式設計技巧。

1. 理解多執行緒概念

在進行多執行緒程式設計之前，我們需要先理解什麼是執行緒。執行緒是程式執行的最小單位，它擁有自己的程式計數器、暫存器集合和堆疊，共享進程的程式碼段、資料段和資源。多線程編程允許我們同時執行多個線程，並且這些線程可以並發執行。

2. 使用互斥鎖保護共享資源

在多執行緒程式設計中，多個執行緒可能同時存取同一個共享資源。這會導致資料不一致的問題，所以我們需要使用互斥鎖（mutex）來保護共享資源。互斥鎖是一種同步原語，它允許多個執行緒共享同一個資源，但是只有一個執行緒可以存取該資源。 C 標準函式庫提供了std::mutex類別以支援互斥鎖機制。

例如，我們可以使用以下程式碼片段來保護一個變數的讀寫操作：

#include <mutex>
#include <iostream>

std::mutex mtx; // 申明一个互斥锁

int main()
{
    int count = 0;
    std::thread t1([&count]() {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            mtx.lock(); // 加锁
            count++;
            mtx.unlock(); // 解锁
        }
    });

    std::thread t2([&count]() {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            mtx.lock(); // 加锁
            count++;
            mtx.unlock(); // 解锁
        }
    });

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "count: " << count << std::endl;
    return 0;
}

在上面的程式碼中，我們透過建立了一個std::mutex物件mtx來保護count變數的讀寫操作。使用mtx.lock()函數可以鎖定mtx對象，禁止其他執行緒存取count變數。而使用mtx.unlock()函數可以解鎖mtx對象，允許其他執行緒來存取count變數。

3. 使用條件變數等待和通知執行緒

在多執行緒程式設計中，有時我們需要等待某些條件滿足後再繼續執行。在這種情況下，可以使用條件變數（condition variable）來等待和通知其他執行緒。

條件變數是一種同步機制，允許執行緒等待特定的事件而不是忙碌地等待。當一個執行緒等待一個條件變數時，它會進入睡眠狀態，直到另一個執行緒透過條件變數通知它。 C 標準函式庫提供了std::condition_variable類別以支援條件變數機制。

例如，我們可以使用以下程式碼片段來等待和通知執行緒：

#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <iostream>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool is_ready = false;

void work()
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return is_ready; }); // 等待条件变量满足
    std::cout << "Work started!" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(work);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));

    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        is_ready = true;
    }

    cv.notify_one(); // 通知工作线程条件变量
    t.join();
    return 0;
}

在上面的程式碼中，我們建立了一個工作執行緒t，並使用std::unique_lock1ba2f9716dda20785cc3a9e0ac44ce57對互斥鎖進行保護。線程t在等待條件變數滿足後再繼續執行。而在主執行緒中，我們使用std::lock_guarde72b3c73eefdfe1ad5a5ce11c373391e鎖住互斥鎖並改變了is_ready變數的值，然後透過cv.notify_one()通知執行緒t條件變數已經滿足。

4. 使用std::atomic保證原子性操作

在多執行緒程式設計中，通常多個執行緒會同時對同一個變數進行修改。在這種情況下，我們需要確保變數的操作是原子性的。 C 標準函式庫提供了std::atomic類型以支援原子操作。

std::atomic類型可以保證操作是原子性的，即確保一組操作在任何情況下都不會被其他執行緒中斷。使用std::atomic類別可以避免競態條件和其他多執行緒相關的問題。

例如，我們可以使用以下程式碼片段來示範std::atomic的使用方式：

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> counter(0); // 申明一个原子性变量

void func()
{
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        counter++; // 自增操作
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在上面的程式碼中，我們建立兩個執行緒t1和t2，並使用std: :atomicbd43222e33876353aff11e13a7dc75f6類型的counter變數。這使我們可以對counter變數進行原子操作，避免了多個執行緒同時修改變數的問題。

總結

本篇文章介紹了一些C 中的多執行緒程式設計技巧。使用互斥鎖和條件變數可以保護共享資源並實現線程通信，而使用std::atomic可以保證原子性操作並避免多線程相關的問題。當使用多執行緒程式設計時，請注意執行緒安全性和正確性，並確保對共享資源的操作是原子性的。

以上是C++中的多執行緒程式設計技巧的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！