Was sind die Kooperationsmechanismen von C++-Funktionen bei der gleichzeitigen Programmierung?

C++-Parallelprogrammierung bietet Kollaborationsmechanismen, einschließlich Mutexe, Bedingungsvariablen, Semaphoren und atomare Variablen, um Thread-Interaktionen zu koordinieren und Konflikte und Deadlocks zu verhindern. Zu diesen Mechanismen gehören: Mutexe: Schützen gemeinsam genutzte Ressourcen und stellen sicher, dass jeweils nur ein Thread darauf zugreifen kann. Bedingungsvariable: Ermöglicht einem Thread, darauf zu warten, dass eine Bedingung erfüllt und benachrichtigt wird. Semaphor: Begrenzen Sie die Anzahl der Threads, die gleichzeitig auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen können. Atomare Variablen: Stellen Sie atomare Operationen an gemeinsam genutzten Variablen sicher und verhindern Sie Datenkonkurrenz.

C++-Funktionskollaborationsmechanismus bei der gleichzeitigen Programmierung

Bei der gleichzeitigen Programmierung ermöglicht der Kollaborationsmechanismus die Zusammenarbeit mehrerer Funktionen ohne Konflikte oder Deadlocks. C++ bietet eine Vielzahl von Kollaborationsmechanismen, die darauf ausgelegt sind, die Skalierbarkeit und Effizienz gleichzeitiger Anwendungen zu erhöhen.

Mutex (Mutex)

Ein Mutex ist eine Variable, die eine gemeinsam genutzte Ressource vor gleichzeitigem Zugriff schützt. Es stellt sicher, dass nur ein Thread auf eine geschützte Ressource zugreifen kann, indem es Sperren erwirbt und freigibt.

std::mutex m;

void thread_function() {
  // 获得互斥量锁
  m.lock();

  // 访问共享资源

  // 释放互斥量锁
  m.unlock();
}

Bedingungsvariable

Bedingungsvariable wird verwendet, um darauf zu warten, dass eine bestimmte Bedingung erfüllt wird. Es kann wartende Threads über die wait() 函数等待条件变为真，也可以通过 notify_one() 或 notify_all()-Funktion benachrichtigen.

std::condition_variable cv;
std::mutex m;
bool condition_met = false;

void waiting_thread_function() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
  while (!condition_met) {
    cv.wait(lock);
  }
}

void signalling_thread_function() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  condition_met = true;

  // 通知等待的线程
  cv.notify_all();
}

Semaphore (Semaphore)

Semaphore wird verwendet, um die Anzahl der Threads zu begrenzen, die gleichzeitig auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen können. Die Implementierung erfolgt über einen Zähler, der die Anzahl der Threads angibt, die gleichzeitig auf die Ressource zugreifen können.

std::counting_semaphore<int> semaphore(2);

void thread_function() {
  // 获取许可证，允许访问资源
  semaphore.acquire();

  // 访问共享资源

  // 释放许可证
  semaphore.release();
}

Atomic Variable

Atomic Variable ist ein spezieller Variablentyp, der den atomaren Zugriff auf gemeinsam genutzte Variablen garantiert. Mithilfe spezifischer Hardwareanweisungen wird sichergestellt, dass die Lese- und Schreibvorgänge von Variablen unteilbar sind, wodurch ein Datenwettlauf verhindert wird.

std::atomic<int> counter = 0;

void thread_function() {
  // 原子增加计数器
  counter.fetch_add(1);
}

Praktischer Fall: Producer-Consumer-Problem

Das Producer-Consumer-Problem ist ein klassisches Problem bei der gleichzeitigen Programmierung, an dem Producer-Threads und Consumer-Threads beteiligt sind. Produzenten-Threads erzeugen Elemente und fügen sie in eine gemeinsam genutzte Warteschlange ein, während Verbraucher-Threads Elemente aus der Warteschlange entfernen und sie konsumieren.

Mit dem oben genannten Kollaborationsmechanismus können wir dieses Problem sicher und zuverlässig lösen:

• Verwenden Sie einen Mutex, um die Warteschlange vor gleichzeitigem Zugriff zu schützen.
• Verwenden Sie Bedingungsvariablen, um Verbraucher darüber zu informieren, dass sich neue Elemente in der Warteschlange befinden.
• Verwenden Sie Semaphoren, um die Anzahl der Verbraucherthreads zu begrenzen, die Elemente gleichzeitig konsumieren können.

Durch die Kombination dieser Kooperationsmechanismen können wir effiziente und sperrenfreie Producer-Consumer-Implementierungen erstellen.

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