C++线程同步库详解

C++ 标准库中的线程同步库提供了一组原语，用于在多线程环境中实现数据共享和保护

1. 互斥锁（std::mutex）

std::mutex 是 C++ 中最基本的同步原语之一。它提供了一种方法来保护共享数据，以防止多个线程同时访问。当一个线程锁定互斥锁时，其他试图锁定该互斥锁的线程将被阻塞，直到锁被解锁。

示例：

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

std::mutex mtx; // 全局互斥锁
int shared_data = 0; // 共享数据

void thread_function() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 锁定互斥锁
    ++shared_data; // 修改共享数据
    lock.unlock(); // 解锁互斥锁
}

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. 递归锁（std::recursive_mutex）

std::recursive_mutex 类似于 std::mutex，但允许同一线程多次锁定相同的互斥锁。这在某些情况下可能很有用，例如在递归函数中保护共享数据。

3. 时间点（std::chrono）

std::chrono 是 C++ 中处理时间的库，它提供了高精度时间测量和时间点操作。这对于实现超时锁定和定时任务非常有用。

4. 条件变量（std::condition_variable）

std::condition_variable 是一个同步原语，允许一个或多个线程等待某个条件成立。当条件成立时，线程将被唤醒并继续执行。条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保线程安全地访问共享数据。

示例：

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false; // 共享数据

void print_id() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) { // 如果 ready 为 false，则等待
        cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞，并释放锁
    }
    std::cout << "Thread "<< std::this_thread::get_id() << " is ready\n";
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true; // 修改共享数据
    cv.notify_all(); // 唤醒所有等待的线程
}

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 并唤醒所有线程

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

    return 0;
}

5. 读写锁（std::shared_mutex）

std::shared_mutex 是一种特殊类型的互斥锁，允许多个线程同时读取共享数据，但只允许一个线程写入。这在读操作远多于写操作的场景中非常有用，因为它可以提高性能。

6. 原子操作（std::atomic）

std::atomic 是一种特殊类型的变量，支持无锁编程。原子操作是不可分割的，这意味着它们在多线程环境中是线程安全的。原子操作通常比使用互斥锁更高效，但它们的功能有限，只支持基本的算术和逻辑操作。

7. 线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）

C++11 引入了 thread_local 关键字，用于声明线程局部变量。线程局部变量在每个线程中都有自己的实例，因此它们不需要同步。这可以用于存储每个线程的状态信息或缓存数据。

总之，C++ 标准库提供了一组强大的同步原语，可以帮助开发人员在多线程环境中实现高效、安全的数据共享和保护。