C++ 並發程式設計中資料結構的同時安全設計？

在 C++ 並發程式設計中，資料結構的並發安全設計至關重要：臨界區：使用互斥鎖建立程式碼區塊，僅允許一個執行緒同時執行。讀寫鎖：允許多個執行緒同時讀取，但只有一個執行緒同時寫入。無鎖資料結構：使用原子操作實現並發安全，無需鎖。實戰案例：執行緒安全的佇列：使用臨界區保護佇列操作，實現執行緒安全性。

C++ 並發程式設計中資料結構的同時安全設計

在並發程式設計中，確保資料結構執行緒安全至關重要。這防止了多個執行緒同時存取和修改資料結構時出現不一致和資料損壞。本文介紹各種資料結構在 C++ 並發程式設計中的並發安全設計技術，並提供實際範例。

臨界區
臨界區是一段程式碼區塊，只能由一個執行緒同時執行。在C++ 中，可以使用互斥鎖(std::mutex) 來建立臨界區，如下所示：

std::mutex m;
void func() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  // 受保护的临界区代码
}

讀寫鎖定
讀寫鎖定允許多個執行緒同時讀取資料結構，但只能由一個執行緒同時寫入。在C++11 中，可以透過std::shared_timed_mutex 來實現讀寫鎖定：

std::shared_timed_mutex rw_lock;
void read_func() {
  std::shared_lock<std::shared_timed_mutex> lock(rw_lock);
  // 读操作
}

void write_func() {
  std::unique_lock<std::shared_timed_mutex> lock(rw_lock);
  // 写操作
}

無鎖定資料結構
無鎖定資料結構使用特定技巧來在沒有鎖的情況下實現並發安全。一種常見的方法是使用原子操作，它在單一不可分割的操作中執行讀取和寫入操作。在C++ 中，可以使用std::atomic 來建立原子變數：

std::atomic<int> counter;
void inc_counter() {
  ++counter;
}

實戰案例：線程安全的佇列
以下是一個執行緒安全的佇列實作的範例：

class ConcurrentQueue {
private:
  std::mutex m;
  std::queue<int> q;

public:
  void push(int value) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    q.push(value);
  }

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

透過使用臨界區來保護佇列操作，實現了佇列的執行緒安全性。

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