如何在 C++ 函数中实现线程安全的数据结构？

如何在 C 函数中实现线程安全的数据结构？使用互斥锁保护临界区（共享数据）。线程安全的动态数组示例：使用互斥锁保护 std::vector 中的数据。实战案例：线程安全的队列，使用互斥锁和条件变量实现消息队列的线程安全。

如何在 C 函数中实现线程安全的数据结构？

在多线程应用程序中，并发访问共享数据可能会导致竞态条件和数据损坏。因此，至关重要的是对共享的数据结构进行线程安全，以确保每个线程都能安全地访问和修改数据。

实现线程安全数据结构的一种简单方法是使用互斥锁。互斥锁是一种同步原语，它允许一次只有一个线程访问临界区（共享数据）。以下代码示例展示了如何使用互斥锁保护动态数组中的数据：

#include <mutex>
#include <vector>

std::mutex m;

// 线程安全的动态数组
class ThreadSafeVector {
public:
    void push_back(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        v.push_back(value);
    }
    
    int get(size_t index) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        return v[index];
    }

private:
    std::vector<int> v;
};

int main() {
    ThreadSafeVector v;
    v.push_back(1);
    int value = v.get(0);
    // ...
}

此示例中，std::lock_guard 用作 RAII（资源获取即初始化）封装，它在进入临界区时自动获取互斥锁，并在退出临界区时自动释放互斥锁。这确保了在同一时间只有一个线程能访问 v 向量。

实战案例：线程安全的队列

假设我们有一个多线程应用程序，线程需要共享一个消息队列。为了使队列线程安全，可以使用互斥锁和条件变量来实现：

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

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

class ThreadSafeQueue {
public:
    void push(int value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
        q.push(value);
        cv.notify_one();
    }
    
    int pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
        cv.wait(lock, [this]{ return !q.empty(); });
        int value = q.front();
        q.pop();
        return value;
    }

private:
    std::queue<int> q;
};

int main() {
    ThreadSafeQueue q;
    // ...
}

在这种情况下，std::condition_variable 用于通知线程队列中是否有新的消息。std::unique_lock 用于锁定和解锁互斥锁，同时还可以通过 cv.wait() 方法使线程进入休眠状态，直到队列中有新消息。

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