C++多线程，线程安全管理

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已于 2024-09-05 10:12:50 修改

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于 2024-09-05 10:03:29 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Hodors/article/details/141923417

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C++多线程，线程安全管理

多线程同时访问一个内存地址，进行读写，

可能会出现以下四种情况：（瞎猜的，不具备任何经验时的猜测）

1、软件卡死（死锁）

2、软件闪退，非法访问内存空间，代码崩溃；

3、程序正常结束，但是算出来的值有问题；

4、程序正常结束，算出来的值也OK；

测试结论：程序正常结束，但是算出来的值有问题；

1、print_thread_id函数，对同一个内存地址进行读写

2、外层开i_thread_num个线程；

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <boost/thread.hpp>

// extern "C"
// void useCUDA();



// 线程执行的函数
void print_thread_id(int * var) {

	boost::thread::id this_id = boost::this_thread::get_id();

	for(int i = 0; i < 100000; i++)
	{
		var[0]++;
	}

	// std::cout << "Thread ID: " << this_id << ", addr=" << &var[0] << ", value=" << var[0] << std::endl;
}


int main()
{
	std::cout<<"Hello C++"<<std::endl;

	int a = 0;
	std::cout << "addr=" << &a << std::endl;
	int i_thread_num = 10;

	boost::thread_group threadArray;
	for(int i_thread_idx = 0; i_thread_idx < i_thread_num; i_thread_idx++)
	{
		threadArray.create_thread(boost::bind(&print_thread_id, &a));

	}
	threadArray.join_all();


	std::cout << "Final value=" << a <<std::endl;

	// useCUDA();
	return 0;
}

实验1，print_thread_id 内层循环100000

程序的输出应该是：100000 * 10

实际结果：

addr=0000000000DEFE30
Final value=271702

结论：多线程读写，不安全

实验2：print_thread_id 内层循环10000

程序的输出应该是：10000 * 10

实际结果：

addr=00000000003EFA90
Final value=96754

结论：多线程读写，不安全

实验3：print_thread_id 内层循环1000

程序的输出应该是：1000 * 10

实际结果（第一次）：

addr=000000000038FA90
Final value=9336

实际结果（第二次）：

addr=0000000000CFF710
Final value=10000

结论：多线程读写，不安全

实验4：print_thread_id 内层循环100

程序的输出应该是：100 * 10

实际结果：（第一次）：

addr=0000000000BCFEF0
Final value=1000

实际结果：（第二次）：

addr=00000000008FFC70
Final value=1000

实际结果：（第三次）：

addr=0000000000AFF7C0
Final value=1000

结论：在读写次数比较少的时候，异常结果出现的可能性也比较小。但是从设计原理上讲，不推荐多线程对同一个内存空间，进行读写。

C++ 多线程同时读写同一个内存地址时，如何保证线程安全？

在C++中，当多个线程同时读写同一个内存地址时，必须采取措施来保证线程安全，以避免数据竞争、条件竞争等问题，这些问题可能导致未定义行为、数据损坏或程序崩溃。以下是一些常用的方法来保证线程安全：

互斥锁（Mutex）：
互斥锁是最常用的同步机制之一。它可以确保同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码段（临界区）。当线程进入临界区前，必须先获取互斥锁；离开临界区时，释放互斥锁。
```
#include <mutex>
std::mutex mtx;

void safe_function() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    // 临界区：访问共享资源
}
```
std::lock_guard 是一个RAII（Resource Acquisition Is Initialization）风格的锁管理器，它在构造时自动加锁，在析构时自动解锁，非常方便。

读写锁（Reader-Writer Locks）：
如果共享数据被读取的频率远高于写入的频率，使用读写锁可以提高性能。读写锁允许多个线程同时读取数据，但写入时必须独占访问。

#include <shared_mutex>
std::shared_mutex rw_mtx;

void read_function() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx);
    // 读取共享资源
}

void write_function() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx);
    // 写入共享资源
}

原子操作（Atomic Operations）：
对于简单的数据类型（如整数、指针等），可以使用C++11引入的<atomic>库中的原子类型来保证操作的原子性。原子操作不可分割，执行过程中不会被线程调度机制中断。
```
#include <atomic>
std::atomic<int> count = 0;

void increment() {
    ++count; // 原子操作
}
```

条件变量（Condition Variables）：
虽然条件变量本身不直接用于保护共享数据，但它通常与互斥锁一起使用，用于实现线程间的同步，特别是在等待某个条件成立时。

#include <mutex>
#include <condition_variable>

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

void wait_for_ready() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{return ready;});
    // 执行后续操作
}

void set_ready() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_one(); // 或 notify_all()
}