C++ 函数在并发编程中有哪些协作机制？

C 并发编程提供协作机制，包括互斥量、条件变量、信号量和原子变量，用于协调线程交互，防止冲突和死锁。这些机制包括：互斥量：保护共享资源，确保一次仅一个线程访问。条件变量：允许线程等待条件满足并被通知。信号量：限制同时访问共享资源的线程数。原子变量：保证共享变量的原子操作，防止数据竞争。

C 函数在并发编程中的协作机制

在并发编程中，协作机制允许多个函数协同工作，而不会产生冲突或死锁。C 提供了多种协作机制，旨在提高并发应用程序的可扩展性和效率。

互斥量 (Mutex)

互斥量是一个变量，它保护某个共享资源免受同时访问。它通过获得和释放锁来确保仅一个线程可以访问受保护的资源。

std::mutex m;

void thread_function() {
  // 获得互斥量锁
  m.lock();

  // 访问共享资源

  // 释放互斥量锁
  m.unlock();
}

条件变量 (Condition Variable)

条件变量用于等待某个条件满足。它可以通过 wait() 函数等待条件变为真，也可以通过 notify_one() 或 notify_all() 函数通知正在等待的线程。

std::condition_variable cv;
std::mutex m;
bool condition_met = false;

void waiting_thread_function() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
  while (!condition_met) {
    cv.wait(lock);
  }
}

void signalling_thread_function() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  condition_met = true;

  // 通知等待的线程
  cv.notify_all();
}

信号量 (Semaphore)

信号量用于限制可以同时访问共享资源的线程数。它通过一个计数器来实现，代表可以同时访问资源的线程数。

std::counting_semaphore<int> semaphore(2);

void thread_function() {
  // 获取许可证，允许访问资源
  semaphore.acquire();

  // 访问共享资源

  // 释放许可证
  semaphore.release();
}

原子变量 (Atomic Variable)

原子变量是保证原子访问共享变量的特殊变量类型。它通过特定硬件指令来确保变量的读写操作是不可分割的，从而防止数据竞争。

std::atomic<int> counter = 0;

void thread_function() {
  // 原子增加计数器
  counter.fetch_add(1);
}

实战案例：生产者-消费者问题

生产者-消费者问题是并发编程中的一个经典问题，涉及生产者线程和消费者线程。生产者线程生产并插入元素到一个共享的队列中，而消费者线程从队列中移除元素并消费它们。

使用上述协作机制，我们可以安全可靠地解决该问题：

• 使用互斥量来保护队列，防止同时访问。
• 使用条件变量来通知消费者队列中已有新元素。
• 使用信号量来限制同时可以消费元素的消费者线程数。

通过结合这些协作机制，我们可以创建高效且无锁的生产者-消费者实现。

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