C++线程安全是如何保证的?线程不安全是如何出现的?有什么处理方案呢

在C++中,保证线程安全有如下几种机制:

1. 互斥锁(Mutex)

互斥锁用于保护共享资源,确保同一时间只有一个线程可以访问:

复制代码
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx; // 全局互斥锁

void sharedFunction() {
    mtx.lock(); // 获取锁
    // ... 访问或修改共享资源 ...
    mtx.unlock(); // 释放锁
}

void threadSafeFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // C++11 锁 guard
    // 自动在作用域结束时释放锁
    // 访问或修改共享资源
}

2. 原子操作

原子操作保证单个操作的原子性,无需使用锁:

复制代码
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> atomicVar(0); // 初始化原子变量

void incrementFunction() {
    atomicVar.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 原子增加
}

3. 条件变量

条件变量用于线程间的同步:

复制代码
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>

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

void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(cv_m);
    cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等待条件变量通知
    // 条件满足后的工作...
}

void mainThread() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(cv_m);
        // 准备数据...
        ready = true;
    } // 离开作用域,解锁
    cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程
}

线程不安全是如何出现的:

线程不安全通常由以下情况引起:

  • 数据竞争:多个线程同时读写同一个未受保护的内存位置。
  • 不一致的共享数据:多个线程基于共享数据做出决策,但没有适当的同步。
  • 错误的锁使用:例如,死锁、锁的顺序不一致等。

处理方案:

  • 避免共享可变状态:尽可能使用线程局部变量。
  • 使用锁:保护共享资源的访问。
  • 使用原子类型:避免使用锁,适用于简单的数据操作。
  • 使用读写锁:允许多个读者同时访问,但写入时需要独占访问。
  • 使用条件变量:在某些需要线程间协调的场景。

示例:线程不安全示例及解决方案

线程不安全的代码

复制代码
int counter = 0;

void unsafeIncrement() {
    counter++; // 这里存在数据竞争
}

使用互斥锁解决线程不安全

复制代码
std::mutex mtx;

void safeIncrement() {
    mtx.lock();
    counter++;
    mtx.unlock();
}

或者使用std::lock_guard简化锁的管理:

复制代码
void saferIncrement() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    counter++;
}

使用原子操作进一步改进

复制代码
std::atomic<int> counter(0);

void atomicIncrement() {
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}
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