使用C++線程實現多任務並發執行

一、引言

隨着計算機技術的不斷發展，我們需要能夠同時完成多個任務的程序越來越多。使用多任務並發執行是一種高效的方式，它能夠充分利用多核處理器的性能。在C++中，我們可以使用線程來實現多任務並發執行。本文將介紹如何使用C++線程實現多任務並發執行。

二、線程基礎

線程是一種輕量級的進程，它能夠在同一個進程中同時執行多個任務。線程與進程的主要區別在於，進程擁有獨立的內存空間，而線程共享進程的內存。

在C++中，我們可以使用標準庫中的std::thread來創建線程。下面是一個簡單的例子：

#include <thread>
#include <iostream>

void task(){
    std::cout << "This is a task." << std::endl;
}

int main(){
    std::thread t(task);
    t.join();
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了一個函數task，它將被作為線程的入口點。在main函數中創建了一個線程t，並使用join函數等待線程結束。

三、多任務並發執行

在實際應用中，我們可能需要同時執行多個任務。下面是一個簡單的例子，演示如何使用線程同時執行多個任務：

#include <thread>
#include <iostream>
#include <vector>

void task(int number){
    std::cout << "This is task " << number << "." << std::endl;
}

int main(){
    std::vector<std::thread> threads;
    for(int i=0;i<5;i++){
        threads.emplace_back(task,i);
    }
    for(auto& t:threads){
        t.join();
    }
    return 0;
}

上面的代碼中，我們使用std::vector來管理多個線程。在main函數中，我們創建了5個線程，每個線程執行task函數，並傳遞一個參數作為線程的編號。使用for-each循環等待每個線程結束。

四、互斥鎖

如果多個線程共享同一個變量，我們需要使用互斥鎖來保護變量，以免多個線程同時修改同一個變量導致數據不一致。下面是一個簡單的例子，演示如何使用互斥鎖：

#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void update(int& count){
    //使用互斥鎖保護變量
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    count++;
}

int main(){
    int count = 0;
    std::vector<std::thread> threads;
    for(int i=0;i<5;i++){
        threads.emplace_back(update,std::ref(count));
    }
    for(auto& t:threads){
        t.join();
    }
    std::cout << "The count is " << count << "." << std::endl;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了一個互斥鎖mtx，並使用std::lock_guard來保護變量count。在main函數中，我們創建了5個線程，每個線程執行update函數，並傳遞一個引用變量count作為參數。使用for-each循環等待每個線程結束後，輸出變量count的值。

五、條件變量

條件變量用於線程間的同步，一個線程等待另一個線程的某個條件達成後再繼續執行。下面是一個簡單的例子，演示如何使用條件變量：

#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void thread_func(){
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock,[]{return ready;});
    std::cout << "The condition is ready." << std::endl;
}

int main(){
    std::thread t(thread_func);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_all();
    t.join();
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了一個互斥鎖mtx和一個條件變量cv，並使用std::unique_lock和cv.wait等待條件變量被設置。在main函數中，我們創建了一個線程，該線程執行thread_func函數，在函數中等待條件變量ready被設置。使用std::this_thread::sleep_for讓主線程休眠1秒鐘，然後設置條件變量，並通知等待線程。

六、總結

本文介紹了如何使用C++線程實現多任務並發執行，並講解了線程基礎、多任務並發執行、互斥鎖、條件變量等內容。線程編程需要注意線程安全和死鎖等問題，需要仔細設計程序結構和並發機制。