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C++ における同時プログラミングの問題とその対処方法

PHPz

リリース： 2023-08-22 16:01:06

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C++ における同時プログラミングの問題とその対処方法

コンピュータ技術の継続的な発展に伴い、マルチスレッド同時プログラミングは現在のソフトウェア開発における重要なトピックとなっています。 C では、同時プログラミングの実装も非常に重要で困難な作業です。並行プログラミングのプロセスでは、データの同期やデッドロックなど、多くの問題に直面することがあります。これらの問題は、プログラムの正確性やパフォーマンスに重大な影響を与える可能性があります。したがって、この記事では、C の同時プログラミングの問題とその対処方法から始めて、いくつかの実践的なスキルを紹介します。

1. データの同期

並行プログラミングでは、データの同期は非常に重要な問題です。データ同期の主な機能は、複数のスレッドが共有データにアクセスするときに、データの読み取りおよび書き込み操作を正しく同期できるようにすることです。 C では、データ同期は主にスレッドロックを通じて実現されます。スレッドロックを使用すると、一度に 1 つのスレッドだけが共有データにアクセスできるようになり、データ同期の正確性が保証されます。データ同期の問題に対処するには、次の方法を採用できます。

1.1 ミューテックスロックを使用する

ミューテックスロックは最も一般的に使用されるスレッドロックであり、これにより、確実に 1 つのスレッドロックのみを使用できるようになります。スレッドは共有データにアクセスします。 C 標準ライブラリでは、std::mutex クラスを使用してミューテックスロックを実装できます。ミューテックスロックを使用する基本的なプロセスは次のとおりです。

#include <mutex>

std::mutex mtx;

void function()
{
    mtx.lock();
    // 这里是临界区
    // 访问共享数据
    mtx.unlock();
}

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ミューテックスロックを使用するときは、次の点に注意する必要があります。

共有データにアクセスする場合の場合は、最初に lock メソッドを呼び出して、1 つのスレッドのみが共有データにアクセスするようにする必要があります。
スレッド操作が完了したら、unlock メソッドを呼び出してロックを解放し、他のスレッドがアクセスできるようにする必要があります。
複数のロックが同時に存在する場合、ロックのネスト操作を実行するときは、ロックとロック解除の順序に注意する必要があります。

1.2 読み取り/書き込みロックの使用

読み取り/書き込みロックは特別なスレッドロックであり、主に読み取り/書き込み比率が大きい状況で使用されます。読み取り/書き込みロックを使用すると、読み取り操作中に複数のスレッドがアクセスできますが、書き込み操作中に排他的ロックが必要になるため、同時実行効率がある程度向上します。 C 標準ライブラリでは、std::shared_mutex クラスを使用して読み取り/書き込みロックを実装できます。読み取り/書き込みロックを使用する基本的なプロセスは次のとおりです:

#include <shared_mutex>

std::shared_mutex mtx;

void function()
{
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mtx); // 读操作时使用std::shared_lock
    // 这里是读操作的临界区，可以多个线程同时访问
    lock.unlock();

    // 写操作时需要独占锁
    std::unique_lock<std::shared_mutex> ulock(mtx); // 写操作时使用std::unique_lock
    // 这里是写操作的临界区
    // 只有一个线程可以进行写操作
    ulock.unlock();
}

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1.3 アトミック変数の使用

アトミック変数は、並行プログラミングで非常に一般的に使用される同期メカニズムです。ミューテックスロックのオーバーヘッド。 C では、アトミック変数は、int、float、bool などのさまざまなデータ型にすることができます。アトミック変数を使用する場合は、次の点に注意する必要があります。

アトミック変数にアクセスする場合、アトミック操作を使用して同じアドレスへのアクセスの競合を回避し、スレッドの安全性を確保できます。
アトミック変数の読み取りおよび書き込み操作ではアトミック性を確保する必要があり、ロック操作は実行できません。
アトミック操作を実行するときは、ロード、ストア、交換など、さまざまなアトミックタイプのメソッドを使用する必要があります。

以下は、アトミック変数を使用して同時実行カウンタを実装する例です:

#include <atomic>

std::atomic<int> count(0);

void function()
{
    count++; // 原子自增操作
}

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2. デッドロック

デッドロックは、同時実行で最も一般的な問題の 1 つです。プログラミングを行うと、スレッドが無限待機状態に陥り、プログラムの正確さとパフォーマンスに影響を与えます。デッドロックの問題は通常、複数のスレッドが異なるロックを保持し、お互いが同時にロックを解放するのを待っていることが原因で発生します。デッドロックの問題に対処するには、次の方法を使用できます。

2.1 ロックの使用が多すぎることを回避する

#典型的なデッドロックの状況は、通常、各スレッドが保持しているロックが多すぎることが原因で発生します。デッドロックの問題を解決するのが難しい。したがって、同時実行コードを作成するときは、デッドロックのリスクを減らすためにロックが多すぎることを避けるように努める必要があります。

2.2 デッドロック検出ツールを使用する

実際のプロジェクト開発プロセスでは、プログラムコードの複雑さとマルチスレッドの同時実行性の不確実性により、デッドロック検出ツールを使用することを保証することは困難です。コードは死なない、ロックの問題。したがって、開発中にデッドロックの問題を発見して解決するために、いくつかのデッドロック検出ツールを使用できます。一般的なデッドロック検出ツールには、Valgrind、Helgrind、AddrSanitizer などがあります。

2.3 ロックの順序の使用

デッドロック問題を解決する一般的な方法は、ロックの順序を使用することです。複数のロックの場合、デッドロックを避けるために、ロックに番号を付け、プログラム内でロックとロック解除を同じ順序で行う必要があります。

3. スレッドセーフティ

スレッドセーフティは、同時プログラミングにおいて非常に重要な問題であり、通常、複数のスレッドが同じリソースに同時にアクセスするときに、競合やデータが発生しないという事実を指します。矛盾の問題。 C では、次の方法でスレッドセーフを確保できます。

3.1 共有データを避ける

一般的なスレッドセーフの問題は、複数のスレッドが同じ共有データ上で動作することであり、これは簡単です。データの競合と不整合が発生します。したがって、プログラムを設計するときは、プログラムのスレッド安全性を確保するためにデータの共有を避けるように努める必要があります。

3.2 ローカル変数の使用

より簡単なスレッドセーフな解決策は、ローカル変数を使用することです。ローカル変数には特定のスレッドのみがアクセスできるため、ローカル変数を使用するとデータの競合を回避し、プログラムのスレッドの安全性を確保できます。

3.3 スレッドセーフなコンテナの使用

スレッドセーフコンテナーは、マルチスレッドの安全性を確保しながら効率的なデータアクセス速度を提供できる特別なデータ構造です。 C では、std::mutex、std::lock_guard およびその他のクラスを使用して、スレッドセーフなコンテナー操作を実装できます。

3.4 条件変数の使用

条件変数は、スレッドが特定の条件の発生を待機できるようにする特別なスレッド同期メカニズムであり、これにより、より効率的で安全なスレッド同期メカニズムが提供されます。 C では、std::condition_variable クラスを使用して条件変数の操作を実装できます。

要約すると、C における同時プログラミングの問題とその対処方法は、非常に複雑かつ広範なトピックです。実際のプロジェクトでは、プログラムの正確さと効率を確保するために、特定の状況に応じてさまざまな同時プログラミング手法を選択して適用する必要があります。継続的な学習と実践を通じてのみ、同時プログラミングの技術をよりよく習得し、ソフトウェア開発に対するより良いサポートを提供することができます。

以上がC++ における同時プログラミングの問題とその対処方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。