並發編程：使用C++11的線程庫實現高效多線程程序

一、C++11線程庫簡介

C++11線程庫是C++11標準中新增的庫，它提供了創建和控制執行線程的功能，這使得在C++中編寫多線程程序更加方便和容易。C++11線程庫包含了一些重要的類：

• std::thread：用於創建線程。
• std::mutex：用於保護共享數據的互斥鎖。
• std::condition_variable：用於線程間的通信，實現等待和通知機制。

使用這些類可以實現多個線程的同步和協作。

二、使用std::thread創建線程

使用std::thread創建線程的步驟如下：

1. 定義一個函數，這個函數將作為子線程的入口點。
2. 創建std::thread對象，指定子線程的入口點函數。
3. 在主線程中調用std::thread的join()函數等待子線程執行完畢。

#include 
#include 

// 子線程入口點函數
void thread_func() {
    std::cout << "子線程開始執行" << std::endl;
    // TODO: 子線程具體執行的任務
    std::cout << "子線程執行完畢" << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "主線程開始執行" << std::endl;
    std::thread t(thread_func); // 創建子線程，指定入口點函數
    t.join(); // 等待子線程執行完畢
    std::cout << "主線程執行完畢" << std::endl;
    return 0;
}

三、使用std::mutex實現互斥鎖

當多個線程訪問共享數據時，需要確保每個線程在訪問共享數據時不會相互干擾，防止數據不一致的情況發生。這時就需要使用互斥鎖來防止多個線程同時訪問共享數據。

使用std::mutex實現互斥鎖的步驟如下：

1. 定義std::mutex對象。
2. 使用std::lock_guard保護共享數據。
3. 確保每個線程都使用std::lock_guard來保護共享數據。

#include 
#include 
#include 

std::mutex g_mutex;

// 子線程入口點函數
void thread_func() {
    std::cout << "子線程開始執行" << std::endl;
    // 使用std::lock_guard保護共享數據
    std::lock_guard guard(g_mutex);
    // TODO: 子線程訪問共享數據
    std::cout << "子線程執行完畢" << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "主線程開始執行" << std::endl;
    // 使用std::lock_guard保護共享數據
    std::lock_guard guard(g_mutex);
    std::thread t(thread_func); // 創建子線程，指定入口點函數
    t.join(); // 等待子線程執行完畢
    std::cout << "主線程執行完畢" << std::endl;
    return 0;
}

四、使用std::condition_variable實現線程間通信

在多線程程序中，有時需要線程間進行通信，以實現協作。std::condition_variable可以用於實現線程間的等待和通知機制。

使用std::condition_variable的步驟如下：

1. 定義一個std::condition_variable對象。
2. 在等待條件成立時，調用std::condition_variable的wait()函數進入等待狀態。
3. 在條件成立時，調用std::condition_variable的notify_one()或notify_all()函數通知等待的線程。

#include 
#include 
#include 
#include 

std::mutex g_mutex;
std::condition_variable g_cv;
bool g_flag = false;

// 子線程入口點函數
void thread_func() {
    std::cout << "子線程開始執行" << std::endl;
    std::unique_lock lock(g_mutex);
    // 等待條件成立
    while (!g_flag) {
        std::cout << "等待條件成立" << std::endl;
        g_cv.wait(lock); // 進入等待狀態
    }
    // TODO: 子線程具體執行的任務
    std::cout << "子線程執行完畢" << std::endl;
}

int main() {
    std::cout << "主線程開始執行" << std::endl;
    std::thread t(thread_func); // 創建子線程，指定入口點函數
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 暫停3秒鐘
    // 在條件成立時，通知等待的線程
    {
        std::lock_guard guard(g_mutex);
        g_flag = true;
        std::cout << "條件成立，通知等待的線程" << std::endl;
    }
    g_cv.notify_one();
    t.join(); // 等待子線程執行完畢
    std::cout << "主線程執行完畢" << std::endl;
    return 0;
}

五、總結

本文介紹了使用C++11線程庫編寫高效多線程程序的一些方法，包括使用std::thread創建線程，使用std::mutex實現互斥鎖，使用std::condition_variable實現線程間通信等。

在進行多線程編程時，需要注意線程間的同步和協作，保證程序的正確性和高效性。