如何進行C 程式碼的並發程式設計?
隨著電腦技術的發展，多核心處理器和平行運算的應用越來越普遍。對於程式開發者來說，如何利用多核心處理器的平行運算能力，提高程式的效能成為一個重要的課題。 C 作為一個強大的程式語言，在並發程式設計方面提供了豐富的工具和函式庫。本文將介紹如何進行C 程式碼的並發程式設計。
一、執行緒與進程
在C 中，可以使用執行緒和進程來實作並發程式設計。執行緒是程式的執行單元，多個執行緒可以並行執行，而行程是程式的實例，不同行程之間可以並行執行。透過建立多個執行緒或進程，可以實現並行計算。
C 提供了多執行緒的支持，可以使用std::thread類別建立和管理執行緒。以下是一個簡單的範例：
#include <iostream>
#include <thread>
void hello() {
std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(hello);
t.join();
return 0;
}在這個範例中，我們建立了一個名為t的線程，然後呼叫它的join()函數來等待執行緒執行完畢。在這個例子中，線程函數hello()輸出一個訊息。
二、互斥鎖
在並發程式設計中，多個執行緒同時存取共享資源時可能會導致資料競爭和不確定行為。為了避免這種情況，可以使用互斥鎖（mutex）來保護共享資源。 C 提供了std::mutex類別用於實現互斥鎖。
下面是一個使用互斥鎖的範例：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx;
void count() {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
std::cout << i << std::endl;
}
}
int main() {
std::thread t1(count);
std::thread t2(count);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}在這個範例中，我們建立了兩個執行緒t1和t2，它們同時存取一個循環計數器。為了確保並發存取的安全性，我們使用了一個互斥鎖mtx。 std::lock_guard類是一個RAII（資源取得即初始化）類，用於自動釋放鎖。
三、條件變數
在並發程式設計中，有時候需要執行緒之間進行通訊和同步。 C 提供了條件變數（condition_variable）來實現執行緒的等待和喚醒。
下面是一個使用條件變數的範例：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void worker() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return ready; });
std::cout << "Worker thread is running!" << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(worker);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
ready = true;
}
cv.notify_one();
t.join();
return 0;
}在這個範例中，我們建立了一個執行緒t，它等待ready變數的值為true。在主執行緒中，我們等待2秒後將ready設為true，並透過條件變數cv的notify_one()函數來通知t執行緒。
四、並發容器
C 提供了一些並發容器類，如std::list、std::queue、std::map等，用於在多個線程中安全地存取和修改容器中的元素。
下面是一個使用並發佇列std::queue的範例：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
std::queue<int> q;
std::mutex mtx;
void producer() {
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
q.push(i);
}
}
void consumer() {
while (true) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
if (!q.empty()) {
int value = q.front();
q.pop();
std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;
}
else {
break;
}
}
}
int main() {
std::thread t1(producer);
std::thread t2(consumer);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}在這個範例中，我們建立了一個生產者執行緒和一個消費者執行緒。生產者執行緒為佇列中加入元素，消費者執行緒從隊列中取出元素進行消耗。為了確保並發存取的安全性，我們使用了互斥鎖mtx。
總結：
透過執行緒和進程的並發編程，可以充分利用多核心處理器的平行運算能力，提升程式的效能。 C 提供了豐富的工具和函式庫，如std::thread、std::mutex、std::condition_variable和並發容器，用於實現並發程式設計。在進行並發程式設計時，需要注意資料競爭和同步問題，避免不確定行為的發生。在實際應用中，根據具體需求選擇合適的並發程式設計方案，可以進一步提升程式的效能。
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