Comment implémenter des structures de données et des algorithmes simultanés en C++ ?

Comment implémenter des structures de données et des algorithmes simultanés en C++ ?

En programmation concurrente, l'utilisation correcte des structures de données et des algorithmes est très importante. En C++, nous pouvons utiliser diverses méthodes pour implémenter des structures de données et des algorithmes simultanés, notamment l'utilisation de verrous mutex, de variables de condition, d'opérations atomiques, etc.

1. Utiliser des verrous mutex
Les verrous mutex sont le mécanisme de contrôle de concurrence le plus élémentaire. La protection contre les opérations simultanées est obtenue en verrouillant les ressources partagées, puis en contrôlant l'accès. En C++, nous pouvons utiliser std::mutex pour implémenter les verrous mutex.

Par exemple, nous pouvons utiliser un verrou mutex pour implémenter une simple file d'attente thread-safe :

#include <mutex>
#include <queue>

template<typename T>
class ConcurrentQueue {
private:
    std::queue<T> q;
    std::mutex mtx;

public:
    void push(const T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        q.push(value);
    }

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

    bool empty() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return q.empty();
    }
};

Dans le code ci-dessus, nous utilisons std::mutex pour protéger le fonctionnement de la file d'attente et gérer automatiquement le mutex via std::lock_guard Locking et le déverrouillage des serrures. Cela garantit que lorsque plusieurs threads accèdent à la file d'attente en même temps, un seul thread gère la file d'attente.

2. Utiliser des variables de condition
Les variables de condition sont un autre moyen d'implémenter des structures de données et des algorithmes simultanés en C++. Les variables de condition peuvent être utilisées pour la synchronisation et la communication entre les threads.

Par exemple, nous pouvons utiliser des variables de condition pour implémenter une simple file d'attente thread-safe Lorsque la file d'attente est vide, le thread consommateur attendra et se bloquera jusqu'à ce que de nouvelles données soient mises dans la file d'attente par le thread producteur.

#include <mutex>
#include <queue>
#include <condition_variable>

template<typename T>
class ConcurrentQueue {
private:
    std::queue<T> q;
    std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    void push(const T& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        q.push(value);
        cv.notify_one();
    }

    T pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, [this] { return !q.empty(); });
        T value = q.front();
        q.pop();
        return value;
    }

    bool empty() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        return q.empty();
    }
};

Dans le code ci-dessus, nous utilisons std::condition_variable pour implémenter les opérations d'attente et de notification. Lorsque la file d'attente est vide, le thread consommateur appelle la fonction cv.wait() pour attendre que de nouvelles données soient mises dans la file d'attente par le thread producteur, puis la fonction cv.notify_one() informe le thread consommateur de poursuivre l'exécution.

3. Utiliser des opérations atomiques
Les opérations atomiques sont une méthode d'opération spéciale qui garantit que les opérations sur les ressources partagées sont ininterrompues. C++11 introduit une série d'interfaces d'opérations atomiques qui peuvent être utilisées pour implémenter des structures de données et des algorithmes simultanés efficaces.

Par exemple, nous pouvons utiliser des opérations atomiques pour implémenter un simple compteur thread-safe :

#include <atomic>

class ConcurrentCounter {
private:
    std::atomic<int> count;

public:
    ConcurrentCounter() : count(0) {}

    int increment() {
        return count.fetch_add(1) + 1;
    }

    int decrement() {
        return count.fetch_sub(1) - 1;
    }

    int get() {
        return count.load();
    }
};

Dans le code ci-dessus, nous utilisons std::atomic pour déclarer une variable atomique via std::atomic::fetch_add() et std La fonction ::atomic::fetch_sub() effectue des opérations atomiques sur le compteur pour garantir la sécurité des threads.

Résumé :
La mise en œuvre de structures de données et d'algorithmes simultanés en C++ est une tâche complexe et importante. Nous pouvons utiliser des verrous mutex, des variables de condition, des opérations atomiques et de nombreuses autres méthodes pour garantir la sécurité des threads. Lors de la conception de structures de données et d'algorithmes simultanés, nous devons pleinement prendre en compte l'équilibre entre la cohérence des données et la concurrence, ainsi qu'éviter les problèmes courants dans la programmation simultanée tels que les blocages et les conditions de concurrence.

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