并发编程基础知识，编码(Code)

在现代计算机领域中，并发编程已经成为了必备技能之一。它是指同时执行多个操作，通常是在多个线程中执行。然而，并发编程也带来了一些挑战，变得更难掌握和调试。在这篇文章中，我们将探讨并发编程的基础知识和编码技巧。

一、线程和进程

在开始讨论并发编程之前，我们需要先了解一些操作系统的基础知识。操作系统中存在两个并行执行的基本单元，它们是进程和线程。

1. 进程

一个进程是一个程序的执行实例。它有自己的地址空间、堆栈、寄存器和文件句柄等。进程之间互不干扰，它们在操作系统上是独立的。它们可以通过一些IPC机制来通信，如共享内存、管道、消息队列等。

2. 线程

线程是进程中的执行单元。它与其他线程共享相同的内存地址空间，堆栈和文件句柄等资源。每个线程都有自己的逻辑控制流，但是它们之间可以共享数据。相比于进程，线程的创建、撤销和上下文切换的开销更小，因此可以提高程序并发执行的效率。

二、线程的生命周期

在并发编程中，我们需要了解线程的生命周期，以便更好地管理它们的行为。

1. 创建线程

在代码中创建线程的方法有很多种。在C++11之前，可以使用POSIX线程库或Windows线程库等，但是在C++11标准之后，线程被直接加入了标准库中。以下是在C++11+中创建线程的示例代码：

```

#include

#include

void foo()

{

std::cout << "Hello, from thread!\n";

}

int main()

{

std::thread t1(foo); // 创建一个新线程，并运行foo函数

t1.join(); // 等待新线程执行完毕

return 0;

}

```

2. 线程执行

创建线程之后，它会开始执行线程函数中的代码。与主线程不同的是，新线程的执行可以并行进行，只要CPU资源足够。当然，程序需要处理线程之间的竞争条件和同步问题，否则会导致程序数据不一致，错误执行或其他问题。

3. 等待线程

在多个线程执行的情况下，我们需要确保它们能够正确地协同工作，并在必要时等待其他线程的执行。在C++中，我们可以使用join()函数等待线程执行完毕。以下是在C++11+中等待线程的示例代码：

```

#include

#include

void foo()

{

std::cout << "Hello, from thread!\n";

}

int main()

{

std::thread t1(foo);

t1.join(); //等待t1线程执行完毕

std::cout << "Thread finished!\n";

return 0;

}

```

4. 分离线程

在创建线程之后，我们可以选择将线程“分离”，这意味着该线程将在后台运行，并且主线程不需要等待它完成。分离线程适用于不需要线程执行完毕的情况。

在C++中，可以使用detach()函数分离线程。以下是在C++11+中分离线程的示例代码：

```

#include

#include

void foo()

{

std::cout << "Hello, from thread!\n";

}

int main()

{

std::thread t1(foo);

t1.detach(); // 分离线程，t1线程后台运行

std::cout << "Main thread finished!\n";

return 0;

}

```

三、线程同步

1. 互斥量

互斥量是一种线程同步机制，用于保护线程访问共享资源时的竞争条件。互斥量通过实现互斥来确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。在C++中，可以使用std::mutex类来实现互斥量。

以下是在C++11+中使用互斥量进行线程同步的示例代码：

```

#include

#include

#include

std::mutex g_mutex;

void foo()

{

g_mutex.lock(); // 加锁

std::cout << "Hello, from thread!\n";

g_mutex.unlock(); // 解锁

}

int main()

{

std::thread t1(foo);

t1.join();

return 0;

}

```

2. 条件变量

条件变量实现了一些线程间的高级同步技术，允许线程等待某些事件的发生。它通常用于在线程等待共享资源时，以及当资源变为可用时唤醒等待线程。

在C++中，可以使用std::condition_variable类来实现条件变量。

以下是在C++11+中使用条件变量进行线程同步的示例代码：

```

#include

#include

#include

#include

std::mutex g_mutex;

std::condition_variable g_cv;

bool g_ready = false;

void wait()

{

std::unique_lock lock(g_mutex);

g_cv.wait(lock, [](){ return g_ready; }); //等待条件成立

std::cout << "I am done waiting.\n";

}

void signal()

{

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); //等待5秒钟

{ //修改共享数据

std::lock_guard lock(g_mutex);

g_ready = true;

}

g_cv.notify_one(); //通知等待线程条件成立

}

int main()

{

std::thread t1(wait);

std::thread t2(signal);

t1.join();

t2.join();

return 0;

}

```

四、总结

并发编程是一个广泛的主题，涉及到复杂的算法、同步和通信机制。在本文中，我们介绍了线程和进程的基础知识，以及线程的生命周期和同步机制。但这只是一个介绍，并发编程的实践需要更多的时间和经验。