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C++中的多线程优化技巧

王林

发布： 2023-08-22 12:53:12

原创

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c++中的多线程优化技巧

随着计算机技术的发展和硬件性能的提升，多线程技术已经成为了现代编程的必备技能。C++是一门经典的编程语言，也提供了许多强大的多线程技术。本文将介绍C++中的一些多线程优化技巧，以帮助读者更好地应用多线程技术。

一、使用 std::thread

C++11引入了 std::thread，将多线程技术直接集成到了标准库中。使用 std::thread 创建一个新的线程非常简单，只需要传递一个函数指针即可。例如：

#include <thread>
#include <iostream>

void hello()
{
    std::cout << "Hello World!";
}

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

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上面的代码创建了一个新的线程t，执行hello函数，并等待线程t完成。注意，线程的创建和销毁需要一定的开销，因此需要合理地使用 std::thread。

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二、使用 std::async

std::async是另一个方便的多线程技术，它可以异步地执行一个函数，并返回一个 std::future 对象。使用 std::async 可以更方便地管理异步任务的执行和结果获取。例如：

#include <future>
#include <iostream>

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main()
{
    auto async_result = std::async(add, 1, 2);
    std::cout << async_result.get();
    return 0;
}

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上面的代码调用add函数异步地计算1+2，并使用 std::future 对象管理计算结果的获取。需要注意的是，std::async 默认使用 std::launch::async 策略，会在新的线程中执行函数。如果希望使用 std::launch::deferred 策略，则需要手动指定。但是，使用 std::launch::deferred 策略会导致函数在调用 std::future::get() 时才执行，因此需要根据具体情况进行选择。

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三、使用 std::condition_variable

在多线程编程中，线程之间需要进行通信和同步，而 std::condition_variable 可以很好地实现这个目的。使用 std::condition_variable 可以让一个线程等待另一个线程的某个条件成立，从而实现线程之间的同步。例如：

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

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void producer()
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    // wait for the condition to become true
    cv.wait(lock, [] { return ready; });
    std::cout << "Producer done." << std::endl;
}

void consumer()
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    ready = true;
    std::cout << "Consumer done." << std::endl;
    cv.notify_one();
}

int main()
{
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

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上面的代码创建了两个线程t1和t2，其中t1在等待一个条件变量ready变为true之前一直处于等待状态，而t2则在等待1秒后设置条件变量为true，并通知t1。需要注意的是，使用 std::condition_variable 必须配合std::mutex一起使用，以防止多个线程同时访问条件变量的问题。

四、使用线程池

在大量需要创建并运行的短期任务的情况下，经常会使用线程池以提高程序的性能。线程池维护一定数量的线程并管理任务的分配和执行。使用线程池可以避免频繁创建和销毁线程的额外开销，同时可以充分利用多核CPU的优势。例如：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>

class ThreadPool
{
public:
    ThreadPool(std::size_t numThreads = std::thread::hardware_concurrency())
    {
        for (std::size_t i = 0; i < numThreads; ++i)
        {
            pool.emplace_back([this] {
                while (!stop)
                {
                    std::function<void()> task;
                    {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock{ mutex };
                        condition.wait(lock, [this] { return stop || !tasks.empty(); });
                        if (stop && tasks.empty()) return;
                        task = std::move(tasks.front());
                        tasks.pop();
                    }
                    task();
                }
            });
        }
    }

    ~ThreadPool()
    {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock{ mutex };
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for (auto& worker : pool)
        {
            worker.join();
        }
    }

    template <typename F, typename... Args>
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args)
        -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>
    {
        using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;
        auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(
            std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));
        std::future<return_type> future = task->get_future();
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock{ mutex };
            if (stop) throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");
            tasks.emplace([task](){ (*task)(); });
        }
        condition.notify_one();
        return future;
    }

private:
    std::vector<std::thread> pool;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::mutex mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop = false;
};

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

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

int main()
{
    {
        ThreadPool pool;
        auto f1 = pool.enqueue(hello);
        auto f2 = pool.enqueue(add, 1, 2);
        std::cout << f2.get() << std::endl;
    }
    return 0;
}

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上面的代码定义了一个ThreadPool类，其中包含多个线程和一个任务队列。线程池不断从任务队列中取出任务并执行，直到队列为空或者线程池停止。使用 ThreadPool::enqueue 方法将任务加入任务队列，并返回一个 std::future 对象来管理任务执行的结果。

总的来说，C++提供了多种多线程技术来帮助开发者发挥多核CPU的性能，并能够更灵活地管理线程和任务。开发者应该合理使用这些技术来优化程序性能。

以上就是C++中的多线程优化技巧的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！