多線程編程：使用C++11 thread提高程序效率

一、為什麼需要多線程編程

隨著計算機硬體技術的不斷進步，現代程序往往需要面對大量且複雜的計算任務，單線程程序是否能夠應對這些任務，往往成為了一個問題。而多線程編程則可以通過讓程序同時在多個線程上運行，從而充分利用計算機的資源，顯著提高程序的效率。

值得注意的是，多線程編程需要解決線程間同步和互斥等問題，否則可能會帶來程序運行結果不一致的問題。因此，正確使用和操作多線程編程至關重要。

二、C++11 thread基礎操作

在C++11標準中，引入了thread庫，為我們提供了多線程編程的基礎模塊。使用該庫，我們可以方便地創建線程，等待線程結束，並且控制線程的執行順序，實現並行計算。

#include <thread>
#include <iostream>

void fun(int x) {
    std::cout << "Thread " << x << " started." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(fun, 1);

    std::cout << "Hello World!" << std::endl;

    t.join();

    std::cout << "Thread ended." << std::endl;

    return 0;
}

上面的代碼是一個簡單的多線程編程的示例。在該代碼中，我們首先通過thread庫的構造函數創建了一個線程對象t，並將函數fun和參數1作為線程對象的初始化參數。在主函數中，我們同時輸出了Hello World!，表示主線程並未被阻塞。但在主線程結束前，我們使用t.join()等待線程t結束。

三、並發計算的應用

多線程編程最廣泛的應用之一便是並發計算。在這個場景下，我們通常分解一個大問題為多個小問題，然後在多個線程上同時計算，最後將結果匯總得到最終的結果。

下面是一個求解向量積的並發計算示例：

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

struct Vector {
    int x;
    int y;
    int z;
};

void dotProduct(const Vector &v1, const Vector &v2, std::vector<int> &result, int id) {
    int dot = v1.x * v2.x + v1.y * v2.y + v1.z * v2.z;

    result[id] = dot;
}

int main() {
    std::vector<Vector> vectors{{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    std::vector<int> results(vectors.size());

    std::vector<std::thread> threads(vectors.size());

    for (int i = 0; i < vectors.size(); i++) {
        threads[i] = std::thread(dotProduct, std::ref(vectors[0]), std::ref(vectors[1]), std::ref(results), i);
    }

    for (int i = 0; i < vectors.size(); i++) {
        threads[i].join();
    }

    int dot = 0;

    for (auto result : results) {
        dot += result;
    }

    std::cout << "The dot product of the two vectors is " << dot << std::endl;

    return 0;
}

在該示例中，我們定義了一個Vector結構體，表示三維向量。在主函數中，我們創建了兩個三維向量，並將它們存儲在一個向量vectors中。然後，我們又創建了與vectors等長的result向量和threads向量。接著，我們通過循環，在每個線程上調用dotProduct函數，計算兩個向量的內積，並將結果存儲在result向量中。

最後，在每個線程執行完畢後，我們通過循環將所有的內積結果累加，得到向量積的最終結果。

四、多線程編程的注意事項

在使用多線程編程時，需要特別注意以下幾點：

1. 線程池

當同時創建多個線程時，如果線程數過多，將會耗盡計算機的資源，導致程序崩潰。因此，建議使用線程池來控制線程數，從而充分利用計算資源，也避免了因線程過多而導致程序的瓶頸。

2. 線程同步

線程同步是多線程編程中需要特別關注的問題，因為多個線程往往需要修改和共享同一個變數，如果沒有正確地進行同步，將可能導致結果不一致等問題。例如，在以上的向量積的示例中，如果多個線程同時修改同一個result向量，將會產生不可預料的結果。

3. 線程安全

線程安全是指多個線程訪問共同的資源時，不會出現數據不一致或數據丟失等問題。在多線程編程中，需要注意不同的線程可能會同時訪問共享數據，如果沒有正確控制訪問時機，就可能導致線程安全問題的產生。

五、總結

C++11 thread提供了方便的多線程編程介面，可以大大提高程序的運算速度和並發處理能力。但是，多線程編程需要特別注意線程池、線程同步和線程安全等問題，避免出現數據不一致和程序崩潰等問題。