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并发编程基础 - 并发编程的概念（C++）

article 2025/1/31 5:48:02

前言

在当今多核处理器普及的时代，并发编程成为开发高性能应用程序的关键技术之一。无论是服务器端应用，桌面软件，还是移动应用，并发编程都扮演着重要角色。本文将详细介绍并发编程的基本概念，结合C++语言特性，帮助读者理解并掌握这一重要主题。

1. 什么是并发编程？

并发编程是指一个程序能够在同一时间段内执行多个任务的能力。这里的“多个任务”可以是不同的计算步骤、输入输出操作或与其他系统的交互等。值得注意的是，“同一时间段”并不严格意味着完全同时发生；它还包括交替快速地切换各个任务的情形，从宏观上看就像所有任务都在并行运行一样。

并发与并行的区别：

并发：指的是多个任务在同一时间段内被处理，它们之间可能交替执行。
并行：指的则是真正的多任务同时进行，通常需要硬件支持，如多核CPU。

对于开发者来说，理解和正确使用并发编程，可以充分利用现代计算机的硬件资源，提高程序的性能和响应速度。

2. C++中的线程

C++11标准引入了对多线程的支持，使得我们可以在C++中轻松实现并发编程。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，一个进程由一个或多个线程组成。每个线程都有自己的栈空间和局部变量，但共享进程的全局数据和其他资源。

创建线程

在C++中，创建线程非常简单，只需要包含头文件<thread>，然后使用std::thread类：

#include <iostream>
#include <thread>

void print_hello() {
    std::cout << "Hello, thread!" << std::endl;
}

int main() {
    // 创建一个新的线程来执行print_hello函数
    std::thread t(print_hello);

    // 等待线程结束
    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }

    return 0;
}

线程参数传递

有时我们需要给线程传递参数，这也可以通过构造函数完成：

void print_message(const std::string& message) {
    std::cout << message << std::endl;
}

int main() {
    std::string msg = "Hello from a thread!";
    std::thread t(print_message, msg);

    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }

    return 0;
}

使用lambda表达式创建线程

除了直接传递函数名外，还可以使用C++11引入的lambda表达式来定义更灵活的任务逻辑：

int main() {
    int value = 42;
    std::thread t([value]() {
        std::cout << "Value is: " << value << std::endl;
    });

    if (t.joinable()) {
        t.join();
    }

    return 0;
}

3. 同步机制

当多个线程访问共享资源时，为了防止竞争条件（Race Condition），必须采取适当的同步措施。C++提供了多种同步工具，比如互斥量（Mutex）、读写锁（Read-Write Locks）等。

互斥量 Mutex

最常用的同步原语就是互斥量，它可以确保同一时间只有一个线程可以访问受保护的数据：

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

std::mutex mtx; // 定义一个互斥量

void print_block(int n, char c) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁定和解锁
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

这里使用了std::lock_guard自动管理锁的获取和释放，简化了代码，减少了出错的可能性。