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C++线程同步的方法详解

2023-07-06 11:19:42 深夜i -- --

C++ 线程同步方法详解

C++是一种高效、通用的编程语言，支持多线程编程，但同时也需要考虑多线程同步的问题。线程同步是指多个线程之间按照特定的顺序协调运行，以达到正确地处理共享资源的目的。本文将详细介绍C++中实现线程同步的方法。

1. 互斥锁

互斥锁是一种效率较高的线程同步机制，它可以保证在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。C++中提供了mutex类用于实现互斥锁，使用该类的示例代码如下：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;
mutex mtx;
void print_thread(int n)
{
  mtx.lock(); // 线程同步开始
  cout << "Thread " << n << " is running." << endl;
  mtx.unlock(); // 线程同步结束
}
int main()
{
  thread t1(print_thread, 1);
  thread t2(print_thread, 2);
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

在该代码中，我们使用mutex类的lock()和unlock()方法实现了线程同步。在其中一个线程获得了互斥锁时，另一个线程会处于等待状态。当第一个线程释放互斥锁时，第二个线程才能继续执行。

2. 条件变量

条件变量可以用来在不同的线程之间进行通信，使得等待资源的线程能够在资源可用时及时唤醒。C++中提供了condition_variable类，用于实现条件变量。使用该类的示例代码如下：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
condition_variable cv;
bool ready = false;
void print_thread(int n)
{
  unique_lock<mutex> lock(mtx);
  while(!ready) cv.wait(lock); // 等待条件变量，进入阻塞状态
  cout << "Thread " << n << " is running." << endl;
}
int main()
{
  thread t1(print_thread, 1);
  thread t2(print_thread, 2);
  // 模拟资源可用
  this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
  ready = true;
  cv.notify_all(); // 唤醒等待的线程
  t1.join();
  t2.join();
  return 0;
}

在该代码中，我们使用condition_variable类的wait()和notify_all()方法实现了条件变量。当资源不可用时，线程将等待条件变量cv进入阻塞状态。当资源可用时，线程将被唤醒并继续执行。

3. 信号量

信号量是一种更为复杂的线程同步机制，它可以控制多个线程之间的同步，并支持限制同时访问资源的线程数目。C++中提供了semaphore类，用于实现信号量。使用该类的示例代码如下：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <semaphore.h>
using namespace std;
sem_t sem;
void thread1(int n)
{
  sem_wait(&sem); // 等待资源可用
  cout << "Thread " << n << " is running." << endl;
  sem_post(&sem); // 释放资源
}
void thread2(int n)
{
  sem_wait(&sem); // 等待资源可用
  cout << "Thread " << n << " is running." << endl;
  sem_post(&sem); // 释放资源
}
int main()
{
  sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化信号量
  thread t1(thread1, 1);
  thread t2(thread2, 2);
  t1.join();
  t2.join();
  sem_destroy(&sem); // 销毁信号量
  return 0;
}

在该代码中，我们使用semaphore类的wait()和post()方法实现了信号量。初始时，信号量的值为1，表示资源可用。当一个线程进入临界区时，它使用sem_wait()方法等待资源可用；当它离开临界区时，它使用sem_post()方法释放资源。在本例中，两个线程只能其中之一进入临界区，保证了线程同步的正确性。

总结

本文介绍了C++中实现线程同步的三种方法：互斥锁、条件变量和信号量。互斥锁可以使得同一时刻只有一个线程可以访问共享资源；条件变量可以在不同的线程之间进行通信，并使等待资源的线程在资源可用时及时唤醒；信号量可以控制多个线程之间的同步，并支持限制同时访问资源的线程数目。不同的应用场景需要选择合适的线程同步机制。

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