C++線程同步庫詳解

C++ 標準庫中的線程同步庫提供了一組原語，用于在多線程環境中實現數據共享和保護

1. 互斥鎖（std::mutex）

std::mutex 是 C++ 中最基本的同步原語之一。它提供了一種方法來保護共享數據，以防止多個線程同時訪問。當一個線程鎖定互斥鎖時，其他試圖鎖定該互斥鎖的線程將被阻塞，直到鎖被解鎖。

示例：

#include<iostream>
#include<thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx; // 全局互斥鎖
int shared_data = 0; // 共享數據

void thread_function() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 鎖定互斥鎖
    ++shared_data; // 修改共享數據
    lock.unlock(); // 解鎖互斥鎖
}

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

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

    std::cout << "Shared data: "<< shared_data<< std::endl;
    return 0;
}

2. 遞歸鎖（std::recursive_mutex）

std::recursive_mutex 類似于 std::mutex，但允許同一線程多次鎖定相同的互斥鎖。這在某些情況下可能很有用，例如在遞歸函數中保護共享數據。

3. 時間點（std::chrono）

std::chrono 是 C++ 中處理時間的庫，它提供了高精度時間測量和時間點操作。這對于實現超時鎖定和定時任務非常有用。

4. 條件變量（std::condition_variable）

std::condition_variable 是一個同步原語，允許一個或多個線程等待某個條件成立。當條件成立時，線程將被喚醒并繼續執行。條件變量通常與互斥鎖一起使用，以確保線程安全地訪問共享數據。

示例：

#include<iostream>
#include<thread>
#include <mutex>
#include<condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false; // 共享數據

void print_id() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) { // 如果 ready 為 false，則等待
        cv.wait(lck); // 當前線程被阻塞，并釋放鎖
    }
    std::cout << "Thread "<< std::this_thread::get_id() << " is ready\n";
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true; // 修改共享數據
    cv.notify_all(); // 喚醒所有等待的線程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (auto &th : threads) {
        th = std::thread(print_id);
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    go(); // 修改 ready 并喚醒所有線程

    for (auto &th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

5. 讀寫鎖（std::shared_mutex）

std::shared_mutex 是一種特殊類型的互斥鎖，允許多個線程同時讀取共享數據，但只允許一個線程寫入。這在讀操作遠多于寫操作的場景中非常有用，因為它可以提高性能。

6. 原子操作（std::atomic）

std::atomic 是一種特殊類型的變量，支持無鎖編程。原子操作是不可分割的，這意味著它們在多線程環境中是線程安全的。原子操作通常比使用互斥鎖更高效，但它們的功能有限，只支持基本的算術和邏輯操作。

7. 線程局部存儲（Thread Local Storage, TLS）

C++11 引入了 thread_local 關鍵字，用于聲明線程局部變量。線程局部變量在每個線程中都有自己的實例，因此它們不需要同步。這可以用于存儲每個線程的狀態信息或緩存數據。

總之，C++ 標準庫提供了一組強大的同步原語，可以幫助開發人員在多線程環境中實現高效、安全的數據共享和保護。