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《C++11》并发库:简介与应用

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在C++11之前,C++并没有提供原生的并发支持。开发者通常需要依赖于操作系统的API(如Windows的CreateThread或POSIX的pthread_create)或者第三方库(如Boost.Thread)来创建和管理线程。这些方式存在以下几个问题:

  1. 平台依赖:不同的操作系统提供了不同的线程API,这意味着你需要为每个目标平台编写不同的代码,或者使用预处理器宏来处理平台差异。这会使代码变得复杂和难以维护。

  2. 错误处理困难:操作系统的线程API通常通过返回错误码来报告错误,这需要你在每次调用API后检查错误码,并手动处理错误。这不仅繁琐,而且容易出错。

  3. 缺乏高级特性:操作系统的线程API通常只提供了基础的线程创建和同步功能,缺乏一些高级特性,如线程池、future和promise等。

相比之下,C++11的并发库提供了以下优势:

  1. 平台无关:C++11的并发库是C++标准的一部分,这意味着你可以在任何支持C++11的编译器上使用它,无需考虑平台差异。

  2. 异常安全:C++11的并发库使用异常来报告错误,这使得错误处理更加简单和安全。例如,如果你试图在已经启动的线程上调用std::thread::join,C++11会抛出一个std::system_error异常。

  3. 高级特性:C++11的并发库提供了一些高级特性,如std::asyncstd::futurestd::promise等,这些特性使得并发编程更加方便和强大。

这些工具使得C++程序员可以更方便、更安全地编写多线程代码。下面我们将详细介绍这些并发工具的使用。

1. 线程(std::thread)

C++11的std::thread类提供了对操作系统原生线程的封装。你可以通过创建std::thread对象来创建新的线程,并通过成员函数join()detach()来等待线程结束或让线程在后台运行。

#include <iostream>
#include <thread>void hello() {std::cout << "Hello, concurrent world\n";
}int main() {std::thread t(hello);t.join();
}

在这个例子中,我们创建了一个新的线程来运行hello函数,并在主线程中通过join()等待新线程结束。

2. 互斥量(std::mutex)

C++11的std::mutex类提供了对操作系统原生互斥量的封装。你可以使用互斥量来保护共享数据,防止多个线程同时访问。

#include <mutex>
#include <thread>std::mutex mtx;  // 全局互斥量void print_block(int n, char c) {mtx.lock();for (int i=0; i<n; ++i) { std::cout << c; }std::cout << '\n';mtx.unlock();
}int main() {std::thread th1(print_block,50,'*');std::thread th2(print_block,50,'$');th1.join();th2.join();return 0;
}

在这个例子中,我们使用互斥量mtx来保护std::cout,防止两个线程同时输出。

3. 条件变量(std::condition_variable)

C++11的std::condition_variable类提供了对操作系统原生条件变量的封装。你可以使用条件变量来实现线程间的同步。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void print_id(int id) {std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);while (!ready) cv.wait(lck);std::cout << "thread " << id << '\n';
}void go() {std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);ready = true;cv.notify_all();
}int main() {std::thread threads[10];for (int i=0; i<10; ++i)threads[i] = std::thread(print_id,i);std::cout << "10 threads ready to race...\n";go();for (auto& th : threads) th.join();return 0;
}

在这个例子中,我们使用条件变量cv来实现10个线程的同步。当go函数被调用时,所有等待在cv上的线程都会被唤醒。

4. Future(std::future)

C++11的std::future类提供了一种表示异步操作结果的方式。你可以使用std::async函数来启动一个异步操作,并返回一个std::future对象。然后你可以在任何时候通过std::future::get函数来获取异步操作的结果。

#include <iostream>
#include <future>int factorial(int n) {int res = 1;for(int i = n; i > 1; --i)res *= i;return res;
}int main() {std::future<int> fut = std::async(factorial, 5);std::cout << "Factorial of 5 is " << fut.get() << std::endl;return 0;
}

在这个例子中,我们使用std::async启动了一个异步操作来计算5的阶乘,并通过std::future::get获取了结果。

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