Um guia completo para implementar multithreading em C++

introdução:

No desenvolvimento de software moderno, a programação multithread tornou-se uma habilidade muito importante. Aproveitando o multithreading, podemos aumentar a simultaneidade e a capacidade de resposta dos nossos programas, aproveitando melhor os recursos do computador. Este artigo apresentará em detalhes como implementar a programação multithread em C++ e fornecerá exemplos de código detalhados, descrições de funções e explicações teóricas.

1. Compreender os conceitos básicos da programação multithread

Antes de começarmos, precisamos entender alguns conceitos básicos. A programação multithread envolve a execução simultânea de vários threads, cada um com seu próprio fluxo de execução e contexto de execução. Threads podem ser executados em paralelo e compartilhar dados.

2. Apresente a biblioteca de threads na biblioteca padrão C++

C++ 11 apresenta uma biblioteca de threading que facilita a programação multithread. Podemos usar as classes e funções no arquivo de cabeçalho para criar, controlar e sincronizar threads.

3. Crie um tópico

Usando a classe std::thread, podemos criar um novo thread e especificar uma função para ele executar. O código de exemplo é o seguinte:

#include <iostream>
#include <thread>

void myFunction() {
    // 执行你的代码逻辑
}

int main() {
    std::thread t(myFunction); // 创建一个新线程
    // 其他主线程的操作

    t.join(); // 等待新线程执行完毕
    return 0;
}

4. Sincronização de threads e exclusão mútua

O compartilhamento de dados entre vários threads pode levar a problemas de corrida de dados. Para resolver esse problema, podemos usar mutex (mutex) para proteger dados compartilhados e usar variável de condição (variável de condição) para obter sincronização entre threads. O código de exemplo é o seguinte:

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

std::mutex mtx;
int sharedData = 0;

void myFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 加锁
    sharedData++; // 修改共享数据
} // 自动解锁

int main() {
    std::thread t1(myFunction);
    std::thread t2(myFunction);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "共享数据的值是：" << sharedData << std::endl;

    return 0;
}

5. Comunicação entre threads

Na programação multithread, a comunicação entre threads é muito importante. Podemos usar variáveis ​​de condição para implementar o mecanismo de espera e notificação entre threads. O código de exemplo é o seguinte:

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

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

void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) { // 等待条件变量满足
        cv.wait(lock);
    }
    // 执行其他操作
}

int main() {
    std::thread worker(workerThread);

    // 执行其他操作
    // 当条件满足时，通知工作线程继续执行
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();

    worker.join();
    return 0;
}

Pontos a serem observados ao usar multithreading

Ao fazer programação multithread em C++, você precisa prestar atenção aos seguintes pontos:

1. Criação e gerenciamento de threads:

   • Use a classe std::thread para criar um thread e especificar a função a ser executada pelo thread.
   • Certifique-se de chamar a função join() ou detach() do objeto thread para aguardar o término do thread ou desanexar o thread para evitar vazamentos de recursos.

2. Sincronização de threads e exclusão mútua:

   • Use um mutex para proteger dados compartilhados para que apenas um thread os acesse por vez.
   • Use variáveis ​​de condição (variável de condição) para obter sincronização e comunicação entre threads.
   • Evite problemas de corrida de dados e garanta o uso adequado de mutexes e variáveis ​​de condição.

3. Compartilhamento de dados seguro para threads:

   • Tente evitar o uso de variáveis ​​globais e reduza o compartilhamento de dados.
   • Os dados que precisam ser compartilhados devem ser protegidos com mutexes ou operações atômicas devem ser usadas para garantir a segurança do thread.

4. Evite impasses:

   • Preste atenção na ordem de bloqueio e desbloqueio do mutex para evitar deadlock.
   • Use técnicas RAII (aquisição de recursos é inicialização), como std::lock_guard, para gerenciar automaticamente o bloqueio e desbloqueio de mutexes.

5. Controle o número de threads:

   • Planeje razoavelmente o número de threads para garantir que os threads não sejam criados excessivamente para evitar desperdício de recursos.
   • Considere usar um pool de threads para gerenciar e reutilizar threads para melhorar o desempenho e a eficiência.

6. Tratamento de erros e segurança de exceções:

   • Para código que pode gerar exceções, você precisa usar um bloco try-catch para capturar e manipular exceções e evitar travamentos do programa.
   • Certifique-se de que os recursos sejam liberados adequadamente em qualquer caso para evitar vazamentos de recursos.

7. Otimização de performance:

   • Evite o uso excessivo de bloqueios e minimize a granularidade dos mutexes para melhorar o desempenho da simultaneidade.
   • Considere o uso de tecnologias como estruturas de dados sem bloqueio e operações atômicas para substituir mutexes e melhorar o desempenho.

8. Considere exceções e estratégias de saída:

   • Quando o programa encontra uma exceção ou precisa sair mais cedo, deve haver uma estratégia para limpar recursos e liberar threads.

Esses pontos podem ajudá-lo a executar melhor a programação multithread C++ e garantir que você escreva aplicativos multithread estáveis, confiáveis ​​e eficientes. Ao mesmo tempo, também é necessário usar de forma flexível várias técnicas de programação multithread e padrões de design de acordo com os requisitos específicos do projeto e as condições reais.

para concluir:

Através da introdução deste artigo, aprendemos como implementar programação multithread em C++. Aprendemos sobre criação de threads, sincronização e exclusão mútua de threads e comunicação entre threads. Espero que este artigo possa ajudá-lo a compreender e aplicar a programação multithread. Em aplicações práticas, escolha cuidadosamente de acordo com a situação específica e use multithreading de maneira razoável.

referências:

• Documentação da biblioteca de threads C++: https://en.cppreference.com/w/cpp/thread
• Simultaneidade C++ em ação (Anthony Williams)
• Compreensão profunda de sistemas de computador por Randal E. Bryant / David R. O'Hallaron

O texto acima é todo o conteúdo deste blog, espero que seja útil para você. Se você tiver alguma dúvida ou comentário, sinta-se à vontade para perguntar. Obrigado por ler!