C++并发编程

目录

一，并发编程的背景和挑战

1，并发编程中的常见问题

2，C++ 在并发编程中的优势与挑战

 二，C++并发编程的基础

1，C++11 引入的并发支持

线程（std::thread）的基础使用

std::mutex 与互斥锁

std::lock_guard 和 std::unique_lock 的使用

条件变量（std::condition_variable）的应用

2，线程同步的基本策略

三，高级并发编程技巧

1，并发数据结构

无锁编程

使用 std::atomic 和原子操作

2，避免常见的并发问题

死锁与如何避免

活锁与饥饿

四，并发编程高级技术

1，线程池与任务调度

2，协程与并发：C++20 的新特性

协程的工作原理与应用场景

在并发场景中利用协程提高效率

3，性能优化

C++并发程序的性能分析与调优

并发程序中的缓存局部性优化

减少线程上下文切换的开销

内存管理与并发

 五，C++并发编程的常见错误与调试技巧

常见的并发错误

使用调试工具

并发测试：如何构建并发单元测试

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一，并发编程的背景和挑战

随着多核处理器的普及，程序设计逐渐向并发计算转变。并发编程的目标是通过同时执行多个任务，提高程序的执行效率，充分利用现代硬件的计算能力。然而，随着程序复杂性的增加，并发编程面临许多挑战。常见的问题包括数据竞争、死锁、线程调度、负载不均等。

C++作为一种性能极高的编程语言，自C++11以来，逐步增强了并发支持，提供了许多工具和库，帮助我们在多核环境下高效编程。但即便如此，并发编程的复杂性依然存在。

1，并发编程中的常见问题

在并发编程中，最常见的挑战是数据竞争、死锁、活锁和资源争用等问题：

• 数据竞争：多个线程访问共享资源，并且至少有一个线程尝试写入资源时，若没有适当的同步机制，可能会发生数据竞争，导致程序行为不可预期。
• 死锁：两个或多个线程在持有资源锁时，互相等待对方释放资源，形成循环等待，最终导致程序停滞。
• 活锁：线程之间相互响应，导致所有线程都无法继续执行，即使没有发生死锁。
• 资源争用：多个线程同时竞争同一个资源，可能导致线程的执行效率下降，甚至发生“饥饿”现象。

2，C++ 在并发编程中的优势与挑战

C++ 在并发编程方面的最大优势在于其高性能和对底层硬件的直接控制，尤其是在需要进行高效计算的领域（如图像处理、科学计算等）具有独特的优势。然而，这也意味着 C++ 并发编程相较于一些更高层次的语言更为复杂，需要我们精心管理内存、同步机制和线程生命周期等。

 二，C++并发编程的基础

1，C++11 引入的并发支持

C++11 引入了诸多并发编程相关的新特性，使得并发编程变得更加简便和安全。

线程（std::thread）的基础使用

C++11 引入了 std::thread 类，它提供了一种管理线程的简单方式。创建线程时，直接传入要执行的函数或可调用对象。

#include <iostream>
#include <thread>

void print_hello() {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(print_hello);
    t.join(); // 等待线程执行完毕
    return 0;
}

std::mutex 与互斥锁

std::mutex 用于在多个线程之间保护共享资源，防止数据竞争。通过 lock() 和 unlock() 方法，我们可以在临界区内对资源进行保护。

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

std::mutex mtx;

void print_numbers(int id) {
    mtx.lock();
    std::cout << "Thread " << id << " is printing a number." << std::endl;
    mtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(print_numbers, 1);
    std::thread t2(print_numbers, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

std::lock_guard 和 std::unique_lock 的使用

为了避免手动调用 lock() 和 unlock()，我们可以使用 std::lock_guard 和 std::unique_lock。它们采用 RAII（资源获取即初始化）模式，在作用域结束时自动释放锁，确保锁的正确释放。

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

std::mutex mtx;

void print_numbers(int id) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 自动加锁与释放锁
    std::cout << "Thread " << id << " is printing a number." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(print_numbers, 1);
    std::thread t2(print_numbers, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

条件变量（std::condition_variable）的应用

条件变量用于线程间的同步，它可以让一个线程等待某个条件的发生，并允许其他线程在条件满足时通知它。

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

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

void print_numbers() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) cv.wait(lock);  // 等待条件满足
    std::cout << "Numbers printed." << std::endl;
}

void set_ready() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all();  // 通知所有等待线程
}

int main() {
    std::thread t1(print_numbers