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C++11多线程与Windows API：双管齐下的并发编程技术

2023-07-09 04:55:14 深夜i -- --

C++11 多线程 Windows API 并发编程技术

C++11 多线程与 Windows API：双管齐下的并发编程技术

随着计算机发展的快速进步，软件开发人员也在不断研究如何更好地利用硬件资源，以提高程序的效率。并行计算是其中的重要方向之一，多线程技术是实现并行计算的重要手段之一。在现代操作系统中，线程的创建、同步、互斥等都非常方便，然而，要想充分发挥多线程技术的优势，开发人员需要熟悉并掌握多线程编程的相关知识。本文将介绍 C++11 多线程与 Windows API 两种并行计算技术，为读者提供双管齐下的并发编程技术。

C++11 多线程

C++11 支持多线程编程之前，开发人员通常会采用操作系统提供的线程库进行多线程编程，如 Windows 平台的 Win32 API、Linux 平台的 pthread 等。但这些库的使用需要注意线程的创建、同步、互斥等问题，很容易出现线程死锁、竞争条件等问题。而 C++11 加入了对多线程编程的支持，提供了更加简洁易懂的多线程编程接口，例如 thread、mutex、condition_variable 等。同时，C++11 也提供了一些新的语法特性，如 lambda 函数、std::thread::joinable()、std::thread::detach() 等，简化了多线程编程的实现。

下面是一个简单的例子，利用 C++11 多线程实现两个线程间数据的同步：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
condition_variable cv;
bool ready = false;
void worker_thread() {
  cout << "Worker thread start." << endl;
  // 等待主线程通知
  unique_lock<mutex> lock(mtx);
  while (!ready)
    cv.wait(lock);
  // 处理数据
  cout << "Worker thread process data." << endl;
  cout << "Worker thread end." << endl;
}
int main() {
  cout << "Main thread start." << endl;
  // 创建工作线程
  thread worker(worker_thread);
  // 主线程准备数据，然后通知工作线程
  cout << "Main thread prepare data." << endl;
  {
    lock_guard<mutex> lock(mtx);
    ready = true;
  }
  cv.notify_one();
  // 等待工作线程结束
  worker.join();
  cout << "Main thread end." << endl;
  return 0;
}

在这个例子中，主线程需要向工作线程传递数据，工作线程需要等待主线程的通知后才能开始处理数据。为了实现线程数据的同步，我们可以利用 mutex 和 condition_variable 对线程的访问进行同步。主线程准备好数据后，通过 notify_one() 函数通知工作线程可以开始处理数据。

Windows API

除了 C++11 多线程技术，Windows 平台也提供了一系列的线程管理 API 供开发人员使用。其中，CreateThread() 可以创建一个新的线程，该函数返回一个线程句柄 HANDLE，可以利用该句柄对线程进行操作。WaitForSingleObject()、WaitForMultipleObjects() 等函数可以完成线程同步的功能。在多线程编程中，使用 Windows API 进行同步操作是非常常见的。

下面是一个使用 Windows API 进行多线程编程的例子，其中主线程创建了两个工作线程，工作线程负责计算从 1 到 100 的和，并将结果返回给主线程：


#include <iostream>
#include <Windows.h>
using namespace std;
DWORD WINAPI worker_thread(LPVOID lpParam) {
  int* p_sum = (int*)lpParam;
  int sum = 0;
  for (int i = 1; i <= 100; ++i)
    sum += i;
  *p_sum = sum;
  return 0;
}
int main() {
  cout << "Main thread start." << endl;
  // 创建工作线程
  int sum1 = 0, sum2 = 0;
  HANDLE thread1 = CreateThread(NULL, 0, worker_thread, &sum1, 0, NULL);
  HANDLE thread2 = CreateThread(NULL, 0, worker_thread, &sum2, 0, NULL);
  // 等待工作线程结束
  WaitForSingleObject(thread1, INFINITE);
  WaitForSingleObject(thread2, INFINITE);
  cout << "Sum = " << sum1 + sum2 << endl;
  // 关闭线程句柄
  CloseHandle(thread1);
  CloseHandle(thread2);
  cout << "Main thread end." << endl;
  return 0;
}

在这个例子中，主线程通过调用 CreateThread() 创建了两个新的工作线程，并将每个线程计算得到的结果存储到 sum1 和 sum2 中。通过 WaitForSingleObject() 函数等待工作线程结束后，主线程将计算结果相加，最终输出结果。

总结

本文介绍了 C++11 多线程和 Windows API 两种并行计算技术，它们都可以有效地利用多核 CPU 的硬件资源，加速程序的执行速度。对于开发人员来说，学习和掌握这些技术，不仅可以提高程序的效率，还可以增加代码的可读性和可维护性。当然，在多线程编程过程中，我们也需要注意线程安全、死锁、竞争条件等问题，对于复杂的多线程程序，需要仔细设计和测试。

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