图解C++多线程问题介绍(C++多线程问题详解及图解入门)

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ithorizon 6个月前 (10-20) 阅读数 23 #后端开发

C++多线程问题详解及图解入门

一、引言

在软件开发中，多线程编程是一种常见的并行计算方法，它可以让程序同时执行多个任务，从而节约程序的性能和响应速度。然而，C++多线程编程也带来了一系列的问题和挑战，本文将详细介绍C++多线程中的常见问题，并通过图解的行为帮助读者更好地领会这些问题。

二、C++多线程基础

C++11标准引入了线程库，令在C++中实现多线程编程变得更加方便。下面我们先来了解一下C++多线程的基础知识。

1. 创建线程


#include 
void function() {
    // 线程执行的代码
}
int main() {
    std::thread t(function); // 创建线程t，执行function函数
    t.join(); // 等待线程t终止
    return 0;
}

2. 线程同步

为了避免多线程之间的竞争条件，需要使用同步机制，如互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）等。

三、C++多线程问题详解

下面我们将详细介绍C++多线程编程中常见的几个问题。

1. 竞争条件（Race Condition）

竞争条件是指多个线程同时访问共享资源，并且至少有一个线程对资源进行了修改，让程序的执行最终依靠于线程的执行顺序。下面是一个易懂的示例：


#include 
#include 
int count = 0;
void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++count;
    }
}
int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "count: " << count << std::endl; // 输出最终大概不是200000
    return 0;
}

由于没有同步机制，两个线程同时对变量`count`进行修改，让最终最终大概不是预期中的200000。

2. 死锁（Deadlock）

死锁是指两个或多个线程归因于互相等待对方释放锁而无法继续执行的状态。下面是一个易懂的死锁示例：


#include 
#include 
#include 
std::mutex m1, m2;
void function1() {
    std::lock_guard lock(m1);
    std::cout << "Locking m2 in function1" << std::endl;
    std::lock_guard lock2(m2);
}
void function2() {
    std::lock_guard lock(m2);
    std::cout << "Locking m1 in function2" << std::endl;
    std::lock_guard lock2(m1);
}
int main() {
    std::thread t1(function1);
    std::thread t2(function2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在这个例子中，线程1和线程2都尝试先获取m1的锁，然后获取m2的锁。如果线程1获取了m1的锁，而线程2获取了m2的锁，那么它们将永远等待对方释放锁，从而让死锁。

3. 互斥锁的粒度问题

互斥锁的粒度是指锁定的范围大小。如果锁定的范围过大，大概会让不必要的线程等待，降低程序的性能。下面是一个互斥锁粒度问题的示例：


#include 
#include 
#include 
#include 
std::mutex mtx;
std::vector data;
void process_data(int i) {
    std::lock_guard lock(mtx);
    // 处理数据
    data.push_back(i);
}
int main() {
    std::vector threads;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads.emplace_back(process_data, i);
    }
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    return 0;
}