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C++ 多线程的同步与异步操作

2023-07-12 00:48:18 深夜i -- --

C++ 多线程同步异步操作

随着计算机技术的发展，我们使用计算机处理数据的需求越来越高。C++是一种广泛使用的编程语言，其多线程功能允许我们同时执行多个任务，提高程序运行效率。多线程同时也带来了同步与异步操作的问题。本文将介绍C++多线程的同步与异步操作。

同步操作是指多个线程执行的顺序是固定的，只有一个线程执行完成后才能执行下一个线程。同步操作可以保证程序执行的正确性和可靠性。实现同步操作的最常用方法是使用互斥锁和条件变量。

互斥锁是一种保护共享资源的机制，也叫做互斥量。当一个线程进入临界区，其他线程必须等待当前线程执行完离开才能进入。这样可以防止多个线程同时访问共享资源，导致数据的混乱。在C++中，可以使用标准库函数std::mutex来创建互斥锁，用std::lock_guard来保护共享资源，代码如下所示：


// 创建互斥锁
std::mutex mtx;
// 共享资源
int data = 0;
// 保护共享资源
std::lock_guard guard(mtx);
// 修改共享资源
data++;

条件变量是一种线程同步工具，可以用来等待一个特定的事件发生。当条件变量满足要求时，线程可以被唤醒并继续执行。在C++中，可以使用std::condition_variable实现条件变量，代码如下所示：


// 创建条件变量和互斥锁
std::condition_variable cv;
std::mutex mtx;
// 共享资源
int data = 0;
// 等待条件变量
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] return data > 0; );
// 修改共享资源
data--;

异步操作是指多个线程的执行顺序不确定，可以同时执行几个线程。异步操作可以提高程序的并发度和效率。实现异步操作的最常用方法是使用std::async和std::future。

std::async是C++11标准中引入的一种创建异步任务的方法，可以在线程池中执行任务并返回结果。std::async可以指定任务的执行策略，如std::launch::async表示使用线程执行异步任务，std::launch::deferred表示延迟执行任务，等到调用.get()时执行。代码如下所示：


// 同步执行任务
int result1 = task1();
int result2 = task2();
// 异步执行任务
std::future<int> future1 = std::async(std::launch::async, task1);
std::future<int> future2 = std::async(std::launch::async, task2);
// 获取异步任务的结果
int result3 = future1.get();
int result4 = future2.get();

std::future是一个轻量级异步任务的执行结果对象，可以获取异步任务的结果或状态。std::future可以通过.get()方法获取异步任务的结果，或通过.wait()方法等待异步任务完成。代码如下所示：


// 创建异步任务
std::future<int> future = std::async(task);
// 获取异步任务的结果
int result = future.get();
// 等待异步任务完成
std::future_status status = future.wait_for(std::chrono::seconds(1));
if (status == std::future_status::ready) {
  result = future.get();
} else
  std::cout << "任务超时" << std::endl;

综上所述，C++多线程的同步与异步操作可以通过互斥锁、条件变量、std::async和std::future等标准库函数实现。在使用多线程时，我们应该根据任务的性质和需求选择合适的同步和异步操作方式，确保程序的正确性和效率。

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