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如何实现C++多线程访问同一个对象？

2023-07-05 05:20:14 深夜i -- --

C++ 多线程访问同一个对象实现

在C++中，使用多线程可以充分地利用现代计算机的多核处理能力，提高程序的并发性和性能。然而，在多线程编程中，存在一个常见的问题，即多个线程并发访问同一个对象时可能会导致竞争条件和数据损坏等问题。因此，如何实现C++多线程访问同一个对象是一个需要注意的问题。

一般来说，有两种方法可以解决这个问题：加锁和原子操作。

加锁是最基本的多线程协作技术，它通过锁机制来控制多个线程对被保护的共享数据的访问。通常情况下，使用互斥锁（mutex）来保护共享数据的访问。互斥锁使得同一时间只有一个线程可以访问共享数据，其他线程必须等待该线程释放锁之后才能访问。代码如下：


#include <mutex>
#include <thread>
std::mutex mtx;
void foo(int& i) {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
  ++i;
}
int main() {
  int i = 0;
  std::thread t1(foo, std::ref(i));
  std::thread t2(foo, std::ref(i));
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个互斥锁对象`mtx`，并且在`foo`函数中使用了`std::lock_guard `对象来对共享数据进行保护。`std::lock_guard `是一个在构造函数中获取锁，在析构函数中释放锁的RAII封装，它能够自动释放锁，从而避免了手动解锁操作。在主函数中，我们创建了两个线程`t1`和`t2`，并将它们作为参数传递给函数`foo`，这两个线程会并发访问共享变量`i`。通过互斥锁的机制，保证了这两个线程对`i`的操作不会出现竞争条件和数据不一致的问题。

另一种方法是使用原子操作，它是一种基于硬件的锁-free机制，可以保证多个线程对共享数据的访问是原始、不可分割的。通过原子操作，不需要使用互斥锁等并发控制机制，从而减轻了竞争条件的问题。C++11标准库中提供了多种原子操作，包括原子访问、原子存储、原子交换等。以下是一个简单的示例程序：


#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic<int> i(0);
void foo() {
  ++i;
}
int main() {
  std::thread t1(foo);
  std::thread t2(foo);
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

在上述示例中，我们使用了C++11标准库中的`std::atomic `类来保证变量`i`的原子性。`std::atomic `是一个原子操作封装类，它提供了多种原子操作函数，包括`fetch_add`、`fetch_sub`、`fetch_and`、`fetch_or`等。在`foo`函数中，我们通过使用`++i`对变量`i`进行原子操作。最后，在主函数中，创建了两个线程`t1`和`t2`，它们会并发执行`foo`函数，对变量`i`进行递增的操作。由于`i`是一个原子操作封装类，可以保证对`i`的操作是原子性的。

无论是使用加锁还是原子操作，都需要注意以下几个问题：

1. 对共享数据的访问应该尽可能地短暂，尽快地释放锁或原子操作封装类对象；

2. 避免出现死锁的情况，如果不得不使用多个锁，应该按照相同的顺序加锁和解锁，避免交叉加锁导致死锁；

3. 在使用互斥锁时，应该优先使用`std::lock_guard`，而不是手动管理`std::mutex`对象；

4. 在使用原子操作时，应该考虑到可见性和原子性问题，并确保正确地处理内存序列。

总之，实现C++多线程访问同一个对象需要注意并发控制机制，如锁和原子操作等。在实际应用中，应该根据具体情况选择适当的并发控制机制。

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