在现代操作系统中，多线程编程已经成为提高程序性能的重要手段。C++作为一门功能强大的编程语言，提供了丰富的多线程编程支持。然而，多线程编程也带来了线程同步的问题。如果多个线程同时访问共享资源而不进行适当的同步，可能会导致数据竞争、死锁等问题。因此，了解并正确使用线程同步机制对于开发高效、安全的多线程程序至关重要。
线程同步是指通过一定的机制来协调线程之间的执行顺序，以保证对共享资源的正确访问。在C++多线程编程中，常用的线程同步机制包括互斥锁（Mutex）、条件变量（Condition Variable）、信号量（Semaphore）等。
互斥锁是最基本的线程同步机制之一。它用于保护临界区，确保同一时刻只有一个线程可以访问临界区内的代码。在C++中，可以使用`std::mutex`类来实现互斥锁。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void print_thread_id(int id) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 使用RAII风格的锁
std::cout << "Thread " << id << std::endl;
}
int main() {
std::thread threads[10];
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads[i] = std::thread(print_thread_id, i);
}
for (auto& th : threads) {
th.join();
}
return 0;
}
在上面的示例中，`std::lock_guard`是一个RAII（Resource Acquisition Is Initialization）风格的锁管理类，它会在构造时自动加锁，在析构时自动解锁，从而简化了互斥锁的管理。
条件变量用于在线程之间等待某个条件的发生。它通常与互斥锁一起使用，以确保线程在检查条件时的安全性。C++中的`std::condition_variable`类提供了条件变量的功能。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void print_id(int id) {
std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
while (!ready) cv.wait(lck); // 等待条件变量
std::cout << "Thread " << id << std::endl;
}
void go() {
std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
ready = true;
cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}
int main() {
std::thread threads[10];
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads[i] = std::thread(print_id, i);
}
std::cout << "10 threads ready to race...\n";
go();
for (auto& th : threads) {
th.join();
}
return 0;
}
在这个示例中，`std::unique_lock`允许条件变量在等待时释放互斥锁，并在被唤醒时重新获得锁，从而实现了更加灵活的线程同步。
C++多线程编程中的线程同步机制是保证程序正确性和性能的关键。通过合理使用互斥锁、条件变量等同步机制，可以有效地协调线程之间的执行顺序，避免数据竞争和死锁等问题。掌握这些同步机制对于开发高效、安全的多线程程序至关重要。