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C++编写线程程序

2023-07-08 18:39:43 深夜i -- --

C++语言线程编程多线程并发线程同步

C++是一门广泛应用于计算机科学领域的编程语言，它具有强大的线程编程功能，能够实现并发执行，提高程序的执行效率和性能。本文将介绍如何使用C++编写线程程序。

1. 线程概述

线程是计算机中最基本的执行单元，它是进程中的一个独立的执行序列，可以与其他线程并发执行，从而提高程序的执行效率。

线程的主要优点包括：

- 并发性：线程能够实现并发执行，提高程序的执行效率。

- 资源共享：多个线程可以共享同一份资源，如内存、文件、对象等。

- 灵活性：线程可以动态创建、启动、暂停、恢复和销毁，具有很大的灵活性。

- 实时性：线程可以响应实时事件和用户输入，从而提高程序运行的实时性能。

2. C++线程库

C++线程库是C++11标准库的一部分，提供了一组用于线程和同步控制的类和函数。其中最重要的类是std::thread，它是一个表示线程的对象。

创建一个线程很简单，只需要实例化一个std::thread对象并传入一个可调用的函数即可，如下所示：


#include <thread>
void my_function()
 // 线程执行的函数
int main() {
 std::thread my_thread(my_function);
 // 等待线程结束
 my_thread.join();
 return 0;
}

上述代码中，my_function()函数表示线程执行的函数，创建一个std::thread对象并传入my_function()函数，即可创建一个线程。同时需要使用join()函数等待线程执行完毕。

3. C++线程同步

当多个线程共享同一份资源时，就需要对线程进行同步，以避免线程之间的竞争和冲突。C++线程库提供了一组同步控制的类和函数，包括std::mutex、std::lock_guard、std::unique_lock、std::condition_variable等。

std::mutex是一个互斥量，用于保护临界区，防止多个线程同时访问同一份资源。std::lock_guard是一个互斥锁保护的资源管理器，它负责创建一个std::mutex对象并在退出作用域时自动释放互斥量。

std::unique_lock是std::lock_guard的拓展，它可以更灵活地控制互斥量，如手动释放互斥锁等。std::condition_variable是一个条件变量，用于同步多个线程之间的状态。

下面是一个简单的例子，演示如何使用std::mutex进行线程同步：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
int counter = 0;
void increment() {
 std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
 ++counter;
}
int main() {
 std::thread t1(increment);
 std::thread t2(increment);
 t1.join();
 t2.join();
 std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
 return 0;
}

上述代码中，increment()函数表示对计数器进行递增的操作。在递增之前，需要创建一个std::lock_guard对象以锁定互斥量，从而确保只有一个线程能够访问计数器。

4. 线程池

线程池是一种将多个线程组成的池子，提高程序效率和性能的技术。线程池基于预先创建的线程对象，反复地使用它们，一旦线程执行完任务，它就回到池子中待用。

C++线程库并没有提供线程池的实现，但是可以通过std::thread和std::condition_variable等类和函数组合起来实现。

下面是一个简单的例子，演示如何使用线程池技术来进行任务管理：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> data_queue;
bool more_data_to_process = true;
void data_preparation_thread() {
 for (int i = 0; i < 100; ++i) {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
  data_queue.push(i);
  cv.notify_one();
 }
}
void data_processing_thread() {
 while (true) {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
  while (data_queue.empty() && more_data_to_process) {
   // 队列为空，等待新数据到来
   cv.wait(lock);
  }
  if (!data_queue.empty()) {
   int data = data_queue.front();
   data_queue.pop();
   std::cout << "Processing: " << data << std::endl;
  }
  else
   // 处理完毕
   break;
  
 }
}
int main() {
 std::thread t1(data_preparation_thread);
 std::thread t2(data_processing_thread);
 t1.join();
 t2.join();
 return 0;
}

上述代码中，data_preparation_thread()函数表示数据准备线程，不断地向队列中插入新数据。data_processing_thread()函数表示数据处理线程，不断地从队列中取出数据进行处理。在队列为空的情况下，线程会进入等待状态，直到有新的数据到来。

5. 小结

本文介绍了如何使用C++编写线程程序，包括线程概述、C++线程库、线程同步和线程池。借助于强大的C++线程编程能力，我们可以更方便地实现并发执行，提高程序效率和性能。

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