C++ で同時データ構造とアルゴリズムを実装するにはどうすればよいですか?

C で同時データ構造とアルゴリズムを実装するにはどうすればよいですか?

同時プログラミングでは、データ構造とアルゴリズムを正しく使用することが非常に重要です。 C では、ミューテックス ロック、条件変数、アトミック操作など、さまざまな方法を使用して同時データ構造とアルゴリズムを実装できます。

1. ミューテックス ロックを使用する
ミューテックス ロックは最も基本的な同時実行制御メカニズムであり、共有リソースをロックしてアクセスを制御することで同時操作の保護が実現されます。 C では、std::mutex を使用してミューテックス ロックを実装できます。

たとえば、ミューテックスを使用して単純なスレッドセーフ キューを実装できます。

#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();
    }
};

上記のコードでは、std::mutex を使用してキューの操作を保護します。 std ::lock_guard は、ミューテックスのロックとロック解除を自動的に管理します。これにより、複数のスレッドが同時にキューにアクセスするときに、1 つのスレッドだけがキューを操作することが保証されます。

2. 条件変数を使用する
条件変数は、C で同時データ構造とアルゴリズムを実装するもう 1 つの方法です。条件変数は、スレッド間の同期と通信に使用できます。

たとえば、条件変数を使用して、単純なスレッドセーフ キューを実装できます。キューが空の場合、コンシューマ スレッドは、プロデューサ スレッドによって新しいデータがキューに入れられるまで待機し、ブロックされます。

#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();
    }
};

上記のコードでは、std::condition_variable を使用して待機操作と通知操作を実装しています。キューが空の場合、コンシューマ スレッドは cv.wait() 関数を呼び出して、プロデューサ スレッドによって新しいデータがキューに入れられるまで待機し、その後 cv.notify_one() 関数がコンシューマ スレッドに実行を継続するように通知します。

3. アトミック操作を使用する
アトミック操作は、共有リソースの操作が中断されないことを保証できる特別な操作方法です。 C 11 では、効率的な同時データ構造とアルゴリズムを実装するために使用できる一連のアトミック操作インターフェイスが導入されています。

たとえば、アトミック操作を使用して、単純なスレッドセーフ カウンターを実装できます。

#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();
    }
};

上記のコードでは、std::atomic を使用して、std:: を通じてアトミック変数を宣言します。 atomic::fetch_add() 関数と std::atomic::fetch_sub() 関数は、カウンター上でアトミック操作を実行して、スレッドの安全性を確保します。

要約:
C で同時データ構造とアルゴリズムを実装することは、複雑かつ重要なタスクです。スレッドの安全性を確保するために、ミューテックス ロック、条件変数、アトミック操作、その他多くの方法を使用できます。同時実行データ構造とアルゴリズムを設計するときは、データの一貫性と同時実行性のバランスを十分に考慮し、デッドロックや競合状態などの同時プログラミングでよくある問題を回避する必要があります。

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