Linux下C++多線程如何實現同步

在Linux下使用C++進行多線程編程時，線程同步是一個重要的問題。以下是一些常用的同步機制：

1. 互斥鎖（Mutex）

互斥鎖是最基本的同步機制，用于保護共享資源，防止多個線程同時訪問。

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

std::mutex mtx; // 全局互斥鎖

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 加鎖
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock(); // 解鎖
}

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

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

    return 0;
}

2. 遞歸互斥鎖（Recursive Mutex）

遞歸互斥鎖允許同一個線程多次鎖定同一個互斥鎖，而不會導致死鎖。

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

std::recursive_mutex mtx; // 全局遞歸互斥鎖

void print_block(int n, char c, int count = 0) {
    if (count >= 2) return; // 防止無限遞歸
    mtx.lock(); // 加鎖
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " is printing\n";
    print_block(n, c, count + 1); // 遞歸調用
    mtx.unlock(); // 解鎖
}

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

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

    return 0;
}

3. 條件變量（Condition Variable）

條件變量用于線程間的等待和通知機制。

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

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

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, []{return ready;}); // 等待條件變量
    std::cout << "Thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all(); // 通知所有等待的線程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(print_id, i);
    }
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 等待所有線程創建
    go(); // 通知所有線程開始執行
    for (auto &th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

4. 原子操作（Atomic Operations）

原子操作可以在不使用鎖的情況下實現線程安全的操作。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 原子加法
    }
}

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

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

    std::cout << "Counter: " << counter.load() << '\n'; // 輸出計數器的值

    return 0;
}

5. 屏障（Barrier）

屏障用于多個線程之間的同步，確保所有線程都到達某個點后再繼續執行。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <barrier>

std::barrier sync_point(3); // 創建一個屏障，等待3個線程

void do_work(int id) {
    std::cout << "Thread " << id << " is working\n";
    sync_point.arrive_and_wait(); // 等待其他線程
    std::cout << "Thread " << id << " has finished\n";
}

int main() {
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        threads.emplace_back(do_work, i);
    }
    for (auto &th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

這些是Linux下C++多線程編程中常用的同步機制。根據具體的需求選擇合適的同步機制，可以有效地保證線程安全。