提高程序運行效率的有效方法——C++多線程編程

一、多線程基礎知識

1、C++11的多線程庫

C++11標準引入了對多線程的支持，它定義了<thread>頭文件以及std::thread類，可以方便地進行線程創建、結束、等待等操作。下面是一個簡單的示例：

#include <iostream>
#include <thread>

void hello()
{
    std::cout << "Hello World!<br>" << std::endl;
}

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

2、線程間的數據共享

多線程編程中，不同線程之間需要共享數據，但共享數據容易引起線程安全問題，需要使用互斥量std::mutex來進行保護。

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

std::mutex mu;
int g_count = 0;

void increment()
{
    mu.lock();
    ++g_count;
    mu.unlock();
}

int main()
{
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "g_count = " << g_count << std::endl;
    return 0;
}

二、多線程優化策略

1、任務分解

將大任務分成多個小任務，每個小任務由一個線程執行，通過這種方式可以提高程序的整體處理速度。

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

const int N = 1000000;

void calculate(int start, int end, double* result)
{
    for(int i = start; i < end; ++i)
    {
        result[i] = sqrt(i);
    }
}

int main()
{
    double* result = new double[N];
    std::vector<std::thread> threads;
    const int thread_count = std::thread::hardware_concurrency();
    const int block_size = N / thread_count;

    for(int i = 0; i < thread_count; ++i)
    {
        int start = i * block_size;
        int end = (i == thread_count-1) ? N : (i+1) * block_size;
        threads.push_back(std::thread(calculate, start, end, result));
    }

    for(auto& t : threads)
    {
        t.join();
    }

    delete[] result;
    return 0;
}

2、避免不必要的複製

多線程程序中，有時需要傳遞大量數據到線程執行的函數中，如果直接傳遞這些數據，會造成大量的複製開銷，可以通過使用指針或引用的方式，減小函數參數的複製。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <cstring>
#include <cstdlib>

void worker(const char* str)
{
    char* s = (char*)malloc(sizeof(str)+1);
    std::strcpy(s, str);
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " : " << s << std::endl;
    free(s);
}

int main()
{
    const char* str = "Hello World!";
    std::thread t(worker, str);
    t.join();
    return 0;
}

三、多線程應用場景

1、網路編程

網路編程中，需要同時處理多個客戶端的請求，通過多線程可以提高伺服器的並發處理性能。

//Server代碼
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <string>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

const int PORT = 8888;
int server_fd = 0, client_fd = 0;
bool is_running = true;
std::vector<std::thread> threads;

void client_thread(int fd)
{
    char buffer[1024];
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
    while(is_running)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        int n = recvfrom(fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        if(n == -1) continue;
        //處理客戶端請求
        std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " : receive message from " << inet_ntoa(client_addr.sin_addr) << " : " << ntohs(client_addr.sin_port) << ", message:" << buffer << std::endl;
    }
}

void init_server()
{
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    listen(server_fd, 10);
    std::cout << "Server start ..." << std::endl;

    while(is_running)
    {
        client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
        std::thread t(client_thread, client_fd);
        threads.push_back(std::move(t));
    }

    for(auto& t : threads)
    {
        if(t.joinable()) t.join();
    }
}

void stop_server()
{
    is_running = false;
    close(client_fd);
    close(server_fd);
}

int main()
{
    std::thread t(init_server);
    getchar();
    stop_server();
    t.join();
    return 0;
}

2、數據處理

數據處理中，經常需要進行大量的計算、排序、查找等操作，通過多線程可以加快計算速度。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <random>

const long long N = 100000000000;
const int block_size = 1000000;
std::vector<std::thread> threads;
double* a;

void calculate(int start, int end, double* result)
{
    for(long long i = start; i < end; ++i)
    {
        result[i] = sqrt(i);
    }
}

int main()
{
    a = new double[N];

    for(int i = 0; i < N; i += block_size)
    {
        int start = i;
        int end = (i + block_size < N) ? i + block_size : N;
        threads.push_back(std::thread(calculate, start, end, a));
    }

    for(auto& t : threads)
    {
        t.join();
    }

    std::sort(a, a+N);
    delete[] a;
    return 0;
}

四、結語

本文介紹了C++多線程編程的基礎知識、優化策略和應用場景，但是多線程編程也有其困難和缺陷，需要開發者在使用時進行綜合考慮。