Parallelitätssicheres Design von Datenstrukturen in der C++-Parallelprogrammierung?

Bei der gleichzeitigen C++-Programmierung ist der nebenläufigkeitssichere Entwurf von Datenstrukturen von entscheidender Bedeutung: Kritischer Abschnitt: Verwenden Sie einen Mutex, um einen Codeblock zu erstellen, der nur die gleichzeitige Ausführung eines Threads ermöglicht. Lese-/Schreibsperre: Ermöglicht das gleichzeitige Lesen mehrerer Threads, das gleichzeitige Schreiben jedoch nur einem Thread. Sperrenfreie Datenstrukturen: Verwenden Sie atomare Operationen, um Parallelitätssicherheit ohne Sperren zu erreichen. Praktischer Fall: Thread-sichere Warteschlange: Verwenden Sie kritische Abschnitte, um Warteschlangenvorgänge zu schützen und Thread-Sicherheit zu erreichen.

Parallelitätssicherheitsdesign von Datenstrukturen in der gleichzeitigen C++-Programmierung

Bei der gleichzeitigen Programmierung ist es von entscheidender Bedeutung, die Thread-Sicherheit von Datenstrukturen sicherzustellen. Dies verhindert Inkonsistenzen und Datenbeschädigungen, wenn mehrere Threads gleichzeitig auf Datenstrukturen zugreifen und diese ändern. In diesem Artikel werden parallelitätssichere Entwurfstechniken für verschiedene Datenstrukturen in der gleichzeitigen C++-Programmierung vorgestellt und praktische Beispiele bereitgestellt.

Kritischer Abschnitt
Ein kritischer Abschnitt ist ein Codeblock, der nur von einem Thread gleichzeitig ausgeführt werden kann. In C++ können Sie eine Mutex-Sperre (std::mutex) verwenden, um einen kritischen Abschnitt zu erstellen, wie unten gezeigt:

std::mutex m;
void func() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  // 受保护的临界区代码
}

Lese-Schreib-Sperre
Lese-Schreib-Sperre ermöglicht es mehreren Threads, die Datenstruktur gleichzeitig zu lesen Zeit, aber es kann nur gelesen werden, indem ein Thread gleichzeitig schreibt. In C++11 können Lese-/Schreibsperren über std::shared_timed_mutex implementiert werden:

std::shared_timed_mutex rw_lock;
void read_func() {
  std::shared_lock<std::shared_timed_mutex> lock(rw_lock);
  // 读操作
}

void write_func() {
  std::unique_lock<std::shared_timed_mutex> lock(rw_lock);
  // 写操作
}

Sperrenfreie Datenstrukturen
Sperrenfreie Datenstrukturen verwenden spezielle Tricks, um Parallelitätssicherheit ohne Sperren zu erreichen. Ein gängiger Ansatz besteht darin, atomare Operationen zu verwenden, die Lese- und Schreibvorgänge in einer einzigen unteilbaren Operation ausführen. In C++ können Sie std::atomic verwenden, um atomare Variablen zu erstellen:

std::atomic<int> counter;
void inc_counter() {
  ++counter;
}

Praktisches Beispiel: Thread-sichere Warteschlange
Das Folgende ist ein Beispiel für eine Thread-sichere Warteschlangenimplementierung:

class ConcurrentQueue {
private:
  std::mutex m;
  std::queue<int> q;

public:
  void push(int value) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    q.push(value);
  }

  int pop() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    if (q.empty()) { throw std::runtime_error("Queue is empty"); }
    int value = q.front();
    q.pop();
    return value;
  }
};

Durch die Verwendung von Critical Abschnitte schützen Warteschlangenvorgänge und erreichen Thread-Sicherheit der Warteschlange.

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