c++++多线程同步通过多种机制确保线程安全；1.互斥锁（mutex）用于保护共享资源，如代码中使用mtx.lock()和mtx.unlock()控制counter访问；2.条件变量（condition variable）用于线程等待特定条件，如cv.wait()和cv.notify_one()配合unique_lock实现线程通信；3.原子操作（atomic operations）提供轻量级同步，如std::atomic保证counter++的原子性；4.读写锁（read-write lock）允许多个线程同时读取，如std::shared_mutex配合shared_lock和unique_lock实现读写控制；5.信号量（semaphore）控制资源访问数量，如std::counting_semaphore管理最多三个并发线程。选择时应根据场景：互斥锁适合保护共享数据，条件变量适合等待条件触发，原子操作适合简单计数器，读写锁适合读多写少，信号量适合资源池管理。避免死锁的方法包括避免嵌套锁、使用超时锁、减小锁粒度、资源排序等。c++11后新增了recursive_mutex、timed_mutex、future/promise等工具提升并发编程能力。原子操作适用于简单操作，互斥锁则更适合复杂资源保护。
C++多线程同步，简单来说，就是让多个线程能够安全地共享资源，避免出现数据竞争和死锁等问题。要做到这一点，你需要用到一些同步机制，比如互斥锁、条件变量、原子操作等等。
互斥锁（Mutex） 最常用的同步机制之一。想象一下，你和你的朋友想同时用一支笔，但笔只有一个，这时候就需要互斥锁。
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> std::mutex mtx; // 定义一个互斥锁 int counter = 0; void increment() { for (int i = 0; i < 10000; ++i) { mtx.lock(); // 加锁 counter++; mtx.unlock(); // 解锁 } } int main() { std::thread t1(increment); std::thread t2(increment); t1.join(); t2.join(); std::cout << "Counter value: " << counter << std::endl; // 预期结果：20000 return 0; }
这段代码里，mtx.lock() 就像是你拿起了笔，mtx.unlock() 就像是你用完放下了笔。只有拿到锁的线程才能访问 counter 变量。
条件变量（Condition Variable）
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互斥锁可以保证资源的安全访问，但如果线程需要等待某个特定条件满足才能继续执行，互斥锁就不够用了。这时候就需要条件变量。
#include <iostream> #include <thread> #include <mutex> #include <condition_variable> std::mutex mtx; std::condition_variable cv; bool ready = false; void worker_thread() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 自动解锁的互斥锁 cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等待条件满足 std::cout << "Worker thread is processing..." << std::endl; } void signal_ready() { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); ready = true; } cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程 } int main() { std::thread worker(worker_thread); std::thread signaler(signal_ready); worker.join(); signaler.join(); return 0; }
cv.wait(lock, []{ return ready; }) 让线程进入等待状态，直到 ready 变为 true。cv.notify_one() 用于唤醒一个等待的线程。 std::unique_lock 是一个RAII风格的锁，离开作用域会自动解锁，避免忘记解锁导致死锁。
原子操作（Atomic Operations）
原子操作是一种更轻量级的同步机制，适用于简单的计数器或者标志位。原子操作保证操作的原子性，即不可分割。
#include <iostream> #include <thread> #include <atomic> std::atomic<int> counter(0); void increment() { for (int i = 0; i < 10000; ++i) { counter++; // 原子操作 } } int main() { std::thread t1(increment); std::thread t2(increment); t1.join(); t2.join(); std::cout << "Counter value: " << counter << std::endl; // 预期结果：20000 return 0; }
std::atomic
读写锁（Read-Write Lock）
读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。这种锁适用于读多写少的场景。C++标准库并没有直接提供读写锁，但你可以使用第三方库，例如 Boost。
#include <iostream> #include <thread> #include <shared_mutex> // C++17引入 std::shared_mutex rw_mutex; int data = 0; void reader() { for (int i = 0; i < 5; ++i) { std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex); // 共享锁 std::cout << "Reader: " << data << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); } } void writer() { for (int i = 0; i < 3; ++i) { std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex); // 独占锁 data++; std::cout << "Writer: " << data << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200)); } } int main() { std::thread t1(reader); std::thread t2(writer); std::thread t3(reader); t1.join(); t2.join(); t3.join(); return 0; }
std::shared_lock 用于获取共享锁，允许多个线程同时读取数据。std::unique_lock 用于获取独占锁，只允许一个线程写入数据。C++17 引入了 std::shared_mutex，简化了读写锁的使用。
信号量（Semaphore）
信号量是一种更通用的同步机制，可以控制对有限资源的访问。
#include <iostream> #include <thread> #include <semaphore> std::counting_semaphore<3> semaphore(3); // 允许最多3个线程同时访问 void worker(int id) { semaphore.acquire(); // 获取信号量 std::cout << "Thread " << id << " is working..." << std::endl; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); std::cout << "Thread " << id << " is done." << std::endl; semaphore.release(); // 释放信号量 } int main() { std::thread t1(worker, 1); std::thread t2(worker, 2); std::thread t3(worker, 3); std::thread t4(worker, 4); std::thread t5(worker, 5); t1.join(); t2.join(); t3.join(); t4.join(); t5.join(); return 0; }
std::counting_semaphore semaphore(3) 定义了一个初始值为 3 的信号量。semaphore.acquire() 用于获取信号量，如果信号量的值为 0，线程将进入等待状态。semaphore.release() 用于释放信号量，使信号量的值加 1。
如何选择合适的同步机制？
选择合适的同步机制取决于你的具体需求。
- 互斥锁：适用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问。
- 条件变量：适用于线程需要等待特定条件满足才能继续执行的场景。
- 原子操作：适用于简单的计数器或者标志位，性能较高。
- 读写锁：适用于读多写少的场景，可以提高并发性能。
- 信号量：适用于控制对有限资源的访问。
多线程同步可能遇到的问题有哪些？
多线程同步虽然能解决并发访问的问题，但也可能引入一些新的问题。
- 死锁：当多个线程互相等待对方释放资源时，就会发生死锁。
- 活锁：线程不断重试一个操作，但由于其他线程的干扰，始终无法成功。
- 饥饿：某个线程长时间无法获得所需的资源，导致无法执行。
- 优先级反转：高优先级线程等待低优先级线程释放资源，导致高优先级线程的执行被延迟。
如何避免死锁？
死锁是多线程编程中最常见的问题之一，以下是一些避免死锁的常用方法：
- 避免嵌套锁：尽量避免在一个锁的保护范围内再请求另一个锁。如果必须使用嵌套锁，确保所有线程以相同的顺序获取锁。
- 使用超时锁：try_lock 可以尝试获取锁，如果一段时间内无法获取，则返回失败，避免永久等待。
- 锁的粒度：减小锁的粒度，尽量只保护需要同步的最小代码块，减少锁的竞争。
- 资源排序：对所有需要锁定的资源进行排序，所有线程按照相同的顺序获取锁。
C++11 之后有哪些新的同步工具？
C++11 引入了许多新的同步工具，例如：
- std::mutex：互斥锁。
- std::recursive_mutex：递归锁，允许同一个线程多次获取同一个锁。
- std::timed_mutex：定时锁，可以设置获取锁的超时时间。
- std::condition_variable：条件变量。
- std::atomic：原子操作。
- std::future 和 std::promise：用于异步编程，可以方便地获取异步操作的结果。
- std::shared_mutex (C++17)：读写锁。
- std::counting_semaphore (C++20)：信号量。
什么时候应该使用原子操作而不是互斥锁？
原子操作通常比互斥锁更轻量级，性能更高，但原子操作只能用于简单的操作，例如计数器或者标志位的更新。如果需要保护复杂的共享资源，或者需要执行多个操作的原子性，应该使用互斥锁。
总的来说，选择合适的同步机制，并正确地使用它们，是编写高效、安全的并发程序的关键。
