C++ Concurrent Programming: Wie gehe ich mit der Kommunikation zwischen Threads um?

Zu den Methoden für die Kommunikation zwischen Threads in C++ gehören: gemeinsam genutzter Speicher, Synchronisierungsmechanismen (Mutex-Sperren, Bedingungsvariablen), Pipes und Nachrichtenwarteschlangen. Verwenden Sie beispielsweise eine Mutex-Sperre, um einen gemeinsam genutzten Zähler zu schützen: Deklarieren Sie eine Mutex-Sperre (m) und eine gemeinsam genutzte Variable (Zähler). Stellen Sie sicher, dass jeweils nur ein Thread den Zähler aktualisiert um Rennbedingungen zu verhindern.

C++ Concurrent Programming: Wie gehe ich mit der Kommunikation zwischen Threads um?

In einer Multithread-Anwendung müssen Threads in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren, um Aufgaben zu koordinieren und Daten auszutauschen. C++ bietet eine Vielzahl von Mechanismen zur Implementierung der Kommunikation zwischen Threads, darunter:

Gemeinsamer Speicher

Mithilfe von Shared Memory können mehrere Threads auf denselben Speicherbereich zugreifen. Dies ist ein Ansatz mit geringem Overhead, es muss jedoch darauf geachtet werden, Rennbedingungen zu vermeiden.

int shared_data = 0;

void thread_1() {
  shared_data++; // 可能会被其他线程同时访问
}

void thread_2() {
  shared_data++; // 可能会同时导致不正确的结果
}

Synchronisationsmechanismus

Der Synchronisationsmechanismus kann verwendet werden, um Threads beim Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen zu koordinieren.

Mutex (Mutex)

Mutex bietet sich gegenseitig ausschließenden Zugriff und stellt sicher, dass jeweils nur ein Thread auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreifen kann.

std::mutex m;

void thread_1() {
  std::lock_guard<std::mutex> l(m); // 获取互斥锁
  // 访问共享资源
}

void thread_2() {
  std::lock_guard<std::mutex> l(m); // 获取互斥锁
  // 访问共享资源
}

Bedingungsvariable

Bedingungsvariablen ermöglichen es Threads, auf die Erfüllung bestimmter Bedingungen zu warten.

std::condition_variable cv;
std::mutex m;

void producer() {
  std::lock_guard<std::mutex> l(m); // 获取互斥锁
  while (!condition) {
    // 等待条件满足
    cv.wait(l);
  }
  // 生产数据
}

void consumer() {
  std::lock_guard<std::mutex> l(m); // 获取互斥锁
  condition = true;
  cv.notify_all(); // 唤醒所有等待线程
}

Pipe

Pipe ist ein unidirektionaler Kommunikationsmechanismus, der zum Übertragen von Daten zwischen zwei Threads verwendet wird.

std::pipe pipe;

void writer() {
  std::string message = "hello";
  std::write(pipe[1], message.c_str(), message.length());
}

void reader() {
  std::string message;
  std::read(pipe[0], message.data(), message.size());
}

Message Queue

Message Queue bietet einen asynchronen Nachrichtenübermittlungsmechanismus.

key_t key = ftok("message_queue", 'a');

int message_queue = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);

void sender() {
  Message msg;
  msg.mtext = "hello";
  msgsnd(message_queue, &msg, sizeof(msg.mtext), IPC_NOWAIT);
}

void receiver() {
  Message msg;
  msgrcv(message_queue, &msg, sizeof(msg.mtext), 0, 0);
}

Praktischer Fall: Verwenden eines Mutex zum Schutz eines gemeinsam genutzten Zählers

Angenommen, wir haben einen gemeinsam genutzten Zähler, der von mehreren Threads gleichzeitig aktualisiert werden muss. Wir können diesen Zähler mit einem Mutex schützen:

std::mutex m;
int counter = 0;

void thread_1() {
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    std::lock_guard<std::mutex> l(m);
    counter++;
  }
}

void thread_2() {
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    std::lock_guard<std::mutex> l(m);
    counter--;
  }
}

Dadurch wird sichergestellt, dass jeweils nur ein Thread den Zähler aktualisieren kann, wodurch Race Conditions verhindert werden.

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