Linux下C++如何处理多线程同步 - 问答

在Linux下使用C++进行多线程编程时，线程同步是一个重要的问题。以下是一些常用的线程同步机制及其在C++中的实现方法：

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx; // 定义一个互斥锁

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 加锁
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock(); // 解锁
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

2. 递归互斥锁（Recursive Mutex）

递归互斥锁允许同一个线程多次锁定同一个互斥锁，而不会导致死锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::recursive_mutex mtx; // 定义一个递归互斥锁

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 加锁
    if (n > 0) {
        std::cout << c;
        mtx.lock(); // 再次加锁
        print_block(n - 1, c);
        mtx.unlock(); // 解锁
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock(); // 解锁
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

3. 条件变量（Condition Variable）

条件变量用于线程间的等待和通知机制。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, []{return ready;}); // 等待条件变量
    std::cout << "Thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(print_id, i);
    }
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 等待一段时间
    go(); // 通知线程开始执行
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

4. 读写锁（Reader-Writer 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。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>

std::shared_mutex rw_mtx; // 定义一个读写锁
int shared_data = 0;

void read_data() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lck(rw_mtx); // 读锁
    std::cout << "Read data: " << shared_data << '\n';
}

void write_data(int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lck(rw_mtx); // 写锁
    shared_data = value;
    std::cout << "Write data: " << shared_data << '\n';
}

int main() {
    std::thread readers[5];
    std::thread writer(write_data, 42);

    for (auto& th : readers) {
        th = std::thread(read_data);
    }

    for (auto& th : readers) {
        th.join();
    }
    writer.join();

    return 0;
}

5. 屏障（Barrier）

屏障用于确保多个线程在某个点上同步，所有线程都到达屏障点后才能继续执行。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <barrier>

std::barrier sync_point(3); // 定义一个屏障，等待3个线程

void do_work(int id) {
    std::cout << "Thread " << id << " is working\n";
    sync_point.arrive_and_wait(); // 等待其他线程
    std::cout << "Thread " << id << " has passed the barrier\n";
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        threads.emplace_back(do_work, i);
    }
    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }
    return 0;
}

这些是C++中常用的线程同步机制。根据具体的需求选择合适的同步机制，可以有效地避免多线程编程中的竞态条件和死锁问题。

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