如何在 C++ 函數中實作線程安全的資料結構？

如何在 C 函數中實現線程安全的資料結構？使用互斥鎖保護臨界區（共享資料）。執行緒安全的動態數組範例：使用互斥鎖保護 std::vector 中的資料。實戰案例：執行緒安全的佇列，使用互斥鎖和條件變數來實現訊息佇列的執行緒安全性。

如何在 C 函數中實作執行緒安全的資料結構？

在多執行緒應用程式中，並發存取共享資料可能會導致競態條件和資料損壞。因此，至關重要的是對共享的資料結構進行線程安全，以確保每個線程都能安全地存取和修改資料。

實作執行緒安全資料結構的簡單方法是使用互斥鎖。互斥鎖是一種同步原語，它允許一次只有一個執行緒存取臨界區（共享資料）。以下程式碼範例展示如何使用互斥鎖保護動態數組中的資料：

#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);
    // ...
}

此範例中，std::lock_guard 用作RAII（資源取得即初始化）封裝，它在進入臨界區時自動取得互斥鎖，並在退出臨界區時自動釋放互斥鎖。這確保了在同一時間只有一個執行緒能存取 v 向量。

實戰案例：線程安全的佇列

假設我們有一個多執行緒應用程序，執行緒需要共享一個訊息佇列。為了讓佇列執行緒安全，可以使用互斥鎖和條件變數來實現：

#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;
    // ...
}

在這種情況下，std::condition_variable 用於通知執行緒佇列中是否有新的消息。 std::unique_lock 用於鎖定和解鎖互斥鎖，同時也可以透過 cv.wait() 方法讓執行緒進入休眠狀態，直到佇列中有新訊息。

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