C++ 記憶體管理中的線程安全

C 中的執行緒安全記憶體管理透過確保多個執行緒同時存取共享資料時不會出現資料損壞或競爭條件，來保證資料完整性。關鍵要點：使用 std::shared_ptr 和 std::unique_ptr 等智慧指標實作線程安全的動態記憶體分配。使用互斥鎖（例如 std::mutex）保護共享數據，防止多個執行緒同時存取。實戰案例中使用共享資料和多執行緒計數器，演示了線程安全記憶體管理的應用。

C 記憶體管理中的執行緒安全性

執行緒安全性是指當多個執行緒同時存取共享資料時，不會出現任何資料損壞或競爭條件的問題。在 C 中，當使用多執行緒時，記憶體管理至關重要，因為它涉及共享資料和同步存取。

動態記憶體分配

在 C 中，使用 new 和 delete 運算子進行動態記憶體分配。然而，這些運算子本身不是執行緒安全的：

int *ptr = new int;
delete ptr;

如果多個執行緒同時使用此程式碼，則可能導致釋放後使用（use-after-free）問題或雙重釋放問題。

線程安全的動態記憶體分配

為了確保線程安全的動態記憶體分配，C 標準庫提供了一些線程安全的替代方案：

• std::shared_ptr：一種智慧指針，它可以安全地同時被多個線程共享。它使用引用計數來追蹤共享程度，並在不再有線程引用指標時釋放記憶體。
• std::unique_ptr：一種智慧指針，它只能被一個執行緒擁有。它在物件不再需要時立即釋放記憶體。

範例：執行緒安全共享資源

考慮一個包含共享資源（例如統計資料）的類別：

class SharedData {
public:
  std::mutex mtx; // 互斥锁
  int count = 0;

  void increment() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 获取互斥锁
    ++count;
  }
};

該類別使用互斥鎖 mtx 來保護共享數據，從而確保當多個執行緒同時存取increment() 方法時，計數不會被破壞。

實戰案例：多執行緒計數器

以下是一個實戰案例，示範如何使用執行緒安全的動態記憶體分配和同步：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <memory>

std::shared_ptr<SharedData> sharedData = std::make_shared<SharedData>();

void incrementThread() {
  for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
    sharedData->increment();
  }
}

int main() {
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    threads.emplace_back(incrementThread);
  }

  for (auto &thread : threads) {
    thread.join();
  }

  std::cout << "Final count: " << sharedData->count << std::endl;

  return 0;
}

這個程式建立了共享資料並將其作為std::shared_ptr 引用。然後它創建了 10 個線程，每個線程都遞增計數器 1,000,000 次。主執行緒等待所有執行緒完成，最後列印最終計數。

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