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reformatio發表於2024-06-16
C++程式設計執行緒

深入解析C++併發程式設計：從多執行緒到現代C++併發庫

你有沒有想過，為什麼C++在多執行緒併發程式設計方面如此強大？C++11標準的釋出，為併發程式設計帶來了哪些革命性的變化？本文將深入探討C++併發程式設計背後的技術原理，帶你領略現代C++併發庫的強大之處。文章將結合程式碼片段，為你揭示C++併發程式設計的精髓。

1. 併發程式設計基礎

併發程式設計是一種程式設計正規化，旨在提高程式的效能和響應速度。在併發程式設計中，多個任務同時執行，共享資源，協同完成工作。C++提供了多種併發程式設計機制，如執行緒、互斥鎖、條件變數等。

1.1 執行緒

執行緒是作業系統能夠進行運算排程的最小單位，它被包含在程序之中，是程序中的實際運作單位。C++11引入了std::thread類，使得建立和管理執行緒變得更加簡單。

#include <iostream>
#include <thread>

void print_message() {
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
}

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

在上面的程式碼中，我們建立了一個執行緒t，它執行print_message函式。透過呼叫t.join()，主執行緒等待t執行緒執行完畢。

2. C++11併發程式設計革命

C++11標準的釋出，為C++併發程式設計帶來了革命性的變化。它引入了新的執行緒庫、原子操作、鎖、條件變數等，大大提高了C++在併發程式設計方面的能力。

2.1 原子操作

原子操作是一種不可分割的操作，它在執行過程中不會被其他執行緒中斷。C++11引入了std::atomic模板類，用於實現原子操作。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>

std::atomic<int> counter(0);

void increment_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        counter++;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment_counter);
    std::thread t2(increment_counter);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

在上面的程式碼中，我們使用了std::atomic<int>來定義一個原子整型變數counter。兩個執行緒t1和t2同時對counter進行自增操作，由於原子操作的性質，最終結果將是正確的。

3. 現代C++併發庫

現代C++併發庫提供了更高階的抽象，如std::async、std::future、std::promise等，使得併發程式設計更加便捷。

3.1 非同步任務

std::async用於建立非同步任務，它返回一個std::future物件，用於獲取非同步任務的執行結果。

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

int main() {
    std::future<int> future = std::async(factorial, 4);

    std::cout << "Waiting for the result..." << std::endl;
    std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl;

    return 0;
}

在上面的程式碼中，我們使用std::async建立了一個非同步任務，計算4的階乘。透過std::future物件獲取非同步任務的執行結果。

4. 總結

本文深入探討了C++併發程式設計背後的技術原理，從多執行緒到現代C++併發庫，為你揭示了C++併發程式設計的精髓。C++11標準的釋出，使得C++在併發程式設計方面更加強大。掌握這些技術，你將能夠在多核時代充分發揮硬體效能，提高程式的效能和響應速度。

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