C++ 函数的进阶指南：多线程注意事项

引言

在多线程编程中，函数的正确使用至关重要，以确保数据一致性、避免竞争条件和死锁。本文将深入探讨 C++ 函数在多线程环境下的注意事项，并提供实战案例进行说明。

共享变量和互斥锁

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当多个线程同时访问共享变量时，会出现竞争条件。为了防止这种情况，必须使用互斥锁（mutex），它是一种同步机制，允许一次只有一个线程访问共享变量。

代码示例：

// 创建互斥锁
std::mutex m;

// 在函数中使用互斥锁保护共享变量
void incrementCounter() {
  // 获取互斥锁
  m.lock();
  // 对共享变量增量
  ++counter;
  // 解锁互斥锁
  m.unlock();
}

内存可见性

在多线程环境中，变量的变化可能不会立即对其他线程可见。为了确保内存可见性，可以使用 volatile 关键字或 std::atomic 库。

代码示例：

// 使用 volatile 关键字确保变量的内存可见性
volatile int sharedVariable;

线程局部存储 (TLS)

TLS 是一种技术，用于为每个线程维护与特定线程关联的数据。它可以防止线程访问其他线程的私有数据。

代码示例：

// 使用 TLS 存储线程特定数据
thread_local int threadLocalData;

实战案例：并行求和

考虑以下代码，它使用多个线程计算数组元素的总和：

int sum = 0;
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < arraySize; i++) {
  sum += array[i];
}

如果不使用互斥锁保护共享变量 sum，则可能会出现竞争条件，导致不正确的总和。

实战案例：生产者-消费者问题

生产者-消费者问题是一个经典的多线程问题，涉及一个生产线程和多个消费线程共享一个缓冲区。为了避免死锁，必须使用同步机制，例如信号量或条件变量。

代码示例：

// 使用信号量实现生产者-消费者问题
std::condition_variable cv;
std::mutex m;
std::queue<int> buffer;
int bufferSize;

// 生产者线程
void producer() {
  while (true) {
    // 如果缓冲区已满，等待
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
    cv.wait(lock, [] { return buffer.size() < bufferSize; });

    // 生产数据并将其添加到缓冲区
    buffer.push(data);

    // 通知消费者线程有新数据
    cv.notify_one();
  }
}

// 消费者线程
void consumer() {
  while (true) {
    // 如果缓冲区为空，等待
    std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
    cv.wait(lock, [] { return !buffer.empty(); });

    // 从缓冲区消费数据
    data = buffer.front();
    buffer.pop();

    // 通知生产者线程有空闲空间
    cv.notify_one();
  }
}