C++ 函式在並發程式設計有哪些協作機制？

C 並發程式設計提供協作機制，包括互斥量、條件變數、信號量和原子變量，用於協調執行緒交互，防止衝突和死鎖。這些機制包括：互斥：保護共享資源，確保一次只有一個執行緒存取。條件變數：允許執行緒等待條件滿足並被通知。信號量：限制同時存取共享資源的執行緒數。原子變數：保證共享變數的原子操作，防止資料競爭。

C 函數在並發程式設計中的協作機制

在並發程式設計中，協作機制允許多個函數協同工作，而不會產生衝突或死鎖。 C 提供了多種協作機制，旨在提高並發應用程式的可擴展性和效率。

互斥量 (Mutex)

互斥量是一個變量，它保護某個共享資源免受同時存取。它透過獲得和釋放鎖來確保僅一個執行緒可以存取受保護的資源。

std::mutex m;

void thread_function() {
  // 获得互斥量锁
  m.lock();

  // 访问共享资源

  // 释放互斥量锁
  m.unlock();
}

條件變數 (Condition Variable)

條件變數用來等待某個條件滿足。它可以透過 wait() 函數等待條件變成真，也可以透過 notify_one() 或 notify_all() 函數通知正在等待的執行緒。

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

void waiting_thread_function() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
  while (!condition_met) {
    cv.wait(lock);
  }
}

void signalling_thread_function() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  condition_met = true;

  // 通知等待的线程
  cv.notify_all();
}

信號量 (Semaphore)

信號量用於限制可以同時存取共享資源的執行緒數。它透過一個計數器來實現，代表可以同時存取資源的執行緒數。

std::counting_semaphore<int> semaphore(2);

void thread_function() {
  // 获取许可证，允许访问资源
  semaphore.acquire();

  // 访问共享资源

  // 释放许可证
  semaphore.release();
}

原子變數 (Atomic Variable)

原子變數是保證原子存取共享變數的特殊變數類型。它透過特定硬體指令來確保變數的讀寫操作是不可分割的，從而防止資料競爭。

std::atomic<int> counter = 0;

void thread_function() {
  // 原子增加计数器
  counter.fetch_add(1);
}

實戰案例：生產者-消費者問題

生產者-消費者問題是並發程式設計中的經典問題，涉及生產者執行緒和消費者線程。生產者執行緒生產並插入元素到一個共享的隊列中，而消費者執行緒從隊列中移除元素並消費它們。

使用上述協作機制，我們可以安全可靠地解決該問題：

• 使用互斥量來保護佇列，防止同時存取。
• 使用條件變數來通知消費者佇列中已有新元素。
• 使用信號量來限制同時可以消費元素的消費者執行緒數。

透過結合這些協作機制，我們可以創建高效且無鎖的生產者-消費者實現。

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