c++++ 并发编程涉及共享资源和同步操作，需要工程和设计模式来解决挑战。工程模式包括多线程、进程、线程池、信号量和原子操作，用于有效地管理线程。设计模式包括生产者-消费者队列、读者-写者锁、死锁避免、预防饥饿和分治与征服，用于协调数据访问和处理。这些模式可应用于实际问题，如图像处理和日志服务，以实现高效的并发程序。

C++ 并发编程中的工程和设计模式

引言

并发编程需要妥善处理共享资源和同步操作，以避免数据一致性问题。C++ 为解决这些挑战提供了各种工程和设计模式，本文将深入探讨这些模式。

工程模式

• 多线程：同时执行多个任务，提高性能。
• 进程：隔离的执行环境，与其他进程共享操作系统资源。
• 线程池：预分配的线程集合，减少线程创建开销。
• 信号量：同步机制，限制对共享资源的并发访问。
• 原子操作：在单线程环境中对单个内存位置进行原子操作。

实战案例：

考虑使用线程池进行图像处理。图像读取和处理可以分配给池中的多个线程。

#include <vector>
#include <future>
#include <thread>

void process_image(const std::string& filename) {
  // Image processing logic here
}

int main() {
  // 创建线程池
  std::vector<std::thread> pool;
  int num_threads = 8;
  for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
    pool.push_back(std::thread([] {
      // 该线程将执行 image_processing()
    }));
  }

  // 提交任务到池
  std::vector<std::future<void>> results;
  std::vector<std::string> filenames = {"image1.jpg", "image2.jpg", ...};
  for (const auto& filename : filenames) {
    results.push_back(std::async(std::launch::async, process_image, filename));
  }

  // 等待任务完成
  for (auto& result : results) {
    result.wait();
  }

  // 关闭线程池
  for (auto& thread : pool) {
    thread.join();
  }

  return 0;
}

设计模式

• 生产者-消费者队列：队列抽象，允许生产者向队列写入数据，而消费者从队列读取数据。
• 读者-写者锁：同步机制，限制对共享数据的并发读写访问。
• 死锁避免：通过谨慎的资源获取和释放顺序来防止死锁。
• 预防饥饿：确保每个线程都有机会获取资源，避免一些线程长期处于饥饿状态。
• 分治与征服：将问题分解为更小的并发子任务，然后合并结果。

实战案例：

考虑使用生产者-消费者队列实现一个日志服务。生产者线程记录事件，而消费者线程处理日志并将其写入文件。

#include <queue>
#include <mutex>
#include <thread>

std::queue<std::string> log_queue;
std::mutex log_queue_mutex;

void write_log(const std::string& entry) {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(log_queue_mutex);
  log_queue.push(entry);
}

void process_logs() {
  while (true) {
    std::string entry;
    {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(log_queue_mutex);
      if (log_queue.empty()) {
        // 队列为空时，防止忙等待
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        continue;
      }
      entry = log_queue.front();
      log_queue.pop();
    }
    // 处理日志项
  }
}

int main() {
  // 创建生产者线程
  std::thread producer(write_log, "Log entry 1");
  // 创建消费者线程
  std::thread consumer(process_logs);

  producer.join();
  consumer.join();

  return 0;
}

结论

通过采用合适的工程和设计模式，C++ 程序员可以有效地实现并发程序，最大限度地提高性能和减少数据一致性问题。