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c++11线程安全

news 2025/6/8 11:03:35

多线程安全问题

在多个线程中共享数据时，需要注意线程安全问题。如果多个线程同时访问同一个变量，并且其中至少有一个线程对该变量进行了写操作，那么就会出现数据竞争问题。数据竞争可能会导致程序崩溃、产生未定义的结果，或者得到错误的结果。
代码如下

多线程间数据竞争代码示例：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;int shared_data = 0;
void func()
{for (int i = 0; i < 100000; i++){shared_data += 1;}
}
int main()
{for (int i = 0; i < 5; i++){shared_data = 0;thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << "第" <<i+1<<"次执行的" << "shared_data值为:" << shared_data << endl;}return 0;
}

打印的结果如下：
在这里插入图片描述
按理说，线程t1将shared_data 加100000次，线程t2执行将shared_data 加100000次，执行的结果应该时200000。但是测试了5次，每一次的打印结果都小于200000，这是因为多线程间访问出现了数据竞争问题。

以下是结合上述代码绘制的关于数据竞争的流程图

多核状态下：
在这里插入图片描述

单核状态下：

如果只有一个cpu内核，那么某一时刻只能有一个线程在执行，更理想的情况，如果是只有t1和t2两个线程在执行，t1执行完毕就t2执行，感觉不会发生数据竞争唉。
其实不是，以下图为例，比如说线程t1刚好读入数据shared_data的值，恰好这个时候t1的时间片用完了；轮到线程t2执行，t2执行读取shared_data的数据循环+1，比如说加到610，t2的时间片到了，将610写入内存shared_data；随后切换到t1线程，这里理论上shared_data的值该是610了，但是实际上t1中保存的上次执行值为10，于是线程t1在10的基础上进行循环+1,再次加到610，并将值写入shared_data中。但是实际上经过这两个线程的时间片执行，其值应该为1210（假设一个时间片内执行了600次加法操作）。
在这里插入图片描述

线程安全
概念：如果多线程中每一次的运行结果和单线程运行的结果始终是一样的，那么这个就可以叫做线程安全。
理解：在这里代码的理解就是线程t1执行了100000次加法操作，t2执行了100000次加法操作，最终的值就应该是200000，并且无论执行多少次，其值始终为200000。

为了避免数据竞争问题，也是为了实现线程安全，需要使用同步机制来确保多个线程之间对共享数据的安全访问。常见的同步机制包括互斥量、条件变量、原子操作等。

互斥量机制

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
using namespace std;int shared_data = 0;
mutex mtx;
void func()
{for (int i = 0; i < 100000; i++){mtx.lock();shared_data += 1;mtx.unlock();}
}
int main()
{for (int i = 0; i < 5; i++){shared_data = 0;thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << "第" <<i+1<<"次执行的" << "shared_data值为:" << shared_data << endl;}return 0;
}

打印结果为：
在这里插入图片描述
可以看到，执行了5次打印结果都是200000，通过互斥量实现了线程安全。

原子操作

使用atomic原子操作也可以实现线程安全。


#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
using namespace std;atomic<int> shared_data = 0;void func()
{for (int i = 0; i < 100000; i++){shared_data += 1;//shared_data.fetch_add(1);}
}
int main()
{for (int i = 0; i < 5; i++){shared_data = 0;//shared_data.store(0);thread t1(func);thread t2(func);t1.join();t2.join();cout << "第" << i + 1 << "次执行的" << "shared_data值为:" << shared_data << endl;}return 0;
}