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C++多线程共享vector实现方法

2023-07-02 18:09:15 深夜i -- --

C++ 多线程共享 vector 实现方法

在C++中，多线程处理不同的任务可以显著提高程序的性能。但是，在多线程处理中，共享数据结构是非常常见的，这就需要考虑线程安全问题。在本文中，我们将讨论如何使用多线程共享vector，并提供一些实现方法。

首先，让我们来了解一下vector的基本概念和用法。vector是C++标准库中的一个容器，用于存储一组连续的元素。vector的大小可以动态增长，这是一个非常灵活的数据结构。在实现多线程共享vector时，有几个要点需要注意：

1. 确保线程安全性

多线程环境下，共享数据结构的访问可能会发生竞争条件，导致不可预测的结果。因此，为了确保多线程环境下vector的访问安全性，我们需要使用一些同步机制，例如互斥锁或读写锁。互斥锁可以保证在同一时间内只有一个线程访问vector，而读写锁可以允许多个线程同时读取vector，只有在有写操作时才需要互斥锁。

2. 控制vector的访问

为了避免共享vector时的竞争条件，我们应该对vector的访问进行控制。例如，可以使用条件变量来控制线程在读取或写入vector时的行为。条件变量可以让线程等待直到某些条件满足。

3. 使用合适的算法

在多线程共享vector时，选择合适的算法和数据结构也是非常重要的。例如，我们可以使用并行算法来并行处理vector中的元素，以提高程序的性能。

下面给出一些实现多线程共享vector的方法：

1. 使用互斥锁

使用互斥锁可以保证在同一时间内只有一个线程访问vector。代码如下：


#include <vector>
#include <mutex>
// 共享vector的类
class SharedVector {
public:
  // 向vector中添加元素
  void addElement(int element) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    m_vector.push_back(element);
  }
  // 获取vector的大小
  int getSize() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    return m_vector.size();
  }
private:
  std::vector<int> m_vector;
  std::mutex m_mutex;
};

在上面的代码中，我们定义了一个类SharedVector，它使用互斥锁来保证访问vector的线程安全性。

2. 使用读写锁

使用读写锁可以让多个线程同时读取vector，只有在有写操作时才需要互斥锁。代码如下：


#include <vector>
#include <mutex>
// 共享vector的类
class SharedVector {
public:
  // 向vector中添加元素
  void addElement(int element) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    m_vector.push_back(element);
  }
  // 获取vector的大小
  int getSize() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
    return m_vector.size();
  }
  // 获取vector中的元素
  int getElement(int index) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(m_rwMutex);
    if (index >= m_vector.size())
      return -1; // 出错处理
    
    return m_vector[index];
  }
private:
  std::vector<int> m_vector;
  std::mutex m_mutex;
  std::shared_mutex m_rwMutex;
};

在上面的代码中，我们定义了一个类SharedVector，它使用读写锁来保证访问vector的线程安全性。addElement使用互斥锁，只有写操作需要使用互斥锁，而getSize和getElement使用读写锁，不需要互斥锁。

3. 使用条件变量

使用条件变量可以让线程等待直到某些条件满足。代码如下：


#include <vector>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
// 共享vector的类
class SharedVector {
public:
  // 向vector中添加元素
  void addElement(int element) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    // 等待vector有空间
    m_cond.wait(lock, [this]() {return m_vector.size() < m_capacity;});
    m_vector.push_back(element);
  }
  // 获取vector的大小
  int getSize() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
    return m_vector.size();
  }
private:
  std::vector<int> m_vector;
  std::mutex m_mutex;
  std::condition_variable m_cond;
  int m_capacity = 100; // vector的最大容量
};

在上面的代码中，我们定义了一个类SharedVector，它使用条件变量来控制线程在读取或写入vector时的行为。在addElement中，线程会等待直到vector有空间才能添加元素，由于线程会在条件变量上等待，避免了 busy-waiting 而节约了 CPU 资源。

总之，在多线程环境下共享vector是常见的用法。通过使用互斥锁、读写锁和条件变量等同步机制，可以实现线程安全的共享vector。同时，在选择算法和数据结构时需充分考虑性能问题，以提高程序的效率。

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