1. 什么是并发访问效率
在C++开发中，当多个线程同时访问同一个共享资源时，就会存在并发访问的情况。并发访问效率是指在多线程程序中，在多个线程并发操作相同的数据时，程序的性能是否有所提升。
2. 为什么需要优化并发访问效率
如果多线程程序中的并发访问效率得不到保障，就会出现许多问题，最常见的就是竞态条件，这是指多线程程序中的一个难以调试的问题。竞态条件是指多个线程在对共享数据进行修改时，执行的顺序不确定，导致程序的结果也不确定。
因此，在开发多线程程序时，需要优化并发访问效率，才能避免出现竞态条件等问题。
3. C++中如何进行并发访问优化
3.1 使用互斥锁（Mutex）
使用互斥锁是C++中最常用的处理并发访问的方法之一。互斥锁是一种同步原语，它可以用来保护共享资源，确保同时只有一个线程可以访问它。当一个线程想要访问共享资源时，它必须先获得该资源的互斥锁。
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>
std::mutex mtx;
void add(std::vector &vec, int x) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
vec.push_back(x);
}
int main() {
std::vector<std::thread> threads;
std::vector<int> vec;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads.push_back(std::thread(add, std::ref(vec), i));
}
for (auto &thread : threads) {
thread.join();
}
return 0;
}
上述代码中，通过使用std::mutex保护共享资源std::vector<int> vec，确保了多个线程同时对vec进行操作时的线程安全。其中，加锁使用了std::lock_guard，它是一个RAII类，可以在构造函数中对互斥锁加锁，在析构函数中对互斥锁解锁。
3.2 使用读写锁（Reader-Writer Lock）
当多个线程同时访问同一个共享资源时，如果大部分线程只是对共享资源进行读操作，使用互斥锁会造成过分的阻塞，从而影响程序的性能。此时，可以使用读写锁来提高程序的并发效率。
读写锁是一种同步原语，它允许多个线程同时对共享资源进行读操作，但是在有线程写操作时，则需要等待写操作完成后才能进行读操作。
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>
std::shared_mutex rw_mutex;
void add(std::vector &vec, int x) {
std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
vec.push_back(x);
}
int get_size(const std::vector &vec) {
std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
return vec.size();
}
int main() {
std::vector<std::thread> threads;
std::vector<int> vec;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads.push_back(std::thread(add, std::ref(vec), i));
threads.push_back(std::thread(get_size, std::cref(vec)));
}
for (auto &thread : threads) {
thread.join();
}
return 0;
}
上述代码中，使用std::shared_mutex实现了读写锁保护共享资源std::vector<int> vec。在写操作时使用了std::unique_lock，它与std::lock_guard类似，也是一个RAII类，可以在构造函数中对读写锁加上互斥锁，在析构函数中解锁。在读操作时，使用了std::shared_lock，它实现了共享锁的功能，可以对读操作进行加速。
3.3 使用无锁数据结构
在多线程程序中，互斥锁会降低程序的性能，因为它会引入线程之间的竞争和等待。使用无锁数据结构是一种替代方案，它可以避免使用互斥锁所带来的竞争和等待。
无锁数据结构是指多线程程序中使用的不带锁的数据结构。无锁数据结构包括无锁队列、无锁链表等等，这些数据结构可以使用原子操作来实现。
#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
struct Node {
int value;
std::atomic<Node *> next;
Node(int value) : value(value), next(nullptr) {}
};
class LockFreeQueue {
public:
LockFreeQueue() : head_(new Node(0)), tail_(head_) {}
void push(int value) {
auto new_node = new Node(value);
// 链接新节点到链表尾部
Node *tail;
while (true) {
tail = tail_.load(std::memory_order_acquire);
Node *next = tail->next.load(std::memory_order_acquire);
if (tail == tail_.load(std::memory_order_acquire)) {
if (next == nullptr) {
if (tail->next.compare_exchange_weak(next, new_node)) {
break;
}
} else {
tail_.compare_exchange_weak(tail, next);
}
}
}
tail_.compare_exchange_weak(tail, new_node);
}
bool pop(int &value) {
// 尝试获取链表头部节点和下一个节点
Node *head, *tail, *next;
while (true) {
head = head_.load(std::memory_order_acquire);
tail = tail_.load(std::memory_order_acquire);
next = head->next.load(std::memory_order_acquire);
if (head == head_.load(std::memory_order_acquire)) {
if (head == tail) {
if (next == nullptr) {
return false;
}
tail_.compare_exchange_weak(tail, next);
} else {
value = next->value;
if (head_.compare_exchange_weak(head, next)) {
break;
}
}
}
}
delete head;
return true;
}
private:
std::atomic<Node *> head_;
std::atomic<Node *> tail_;
};
int main() {
LockFreeQueue queue;
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads.push_back(std::thread([&queue]() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
queue.push(j);
}
}));
threads.push_back(std::thread([&queue]() {
int value;
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
if (queue.pop(value)) {
// do something
}
}
}));
}
for (auto &thread : threads) {
thread.join();
}
return 0;
}
上述代码中，实现了一个无锁队列，使用了原子操作和CAS(compare-and-swap)操作来保证操作的线程安全性。
4. 总结
在C++开发中，多线程程序中的并发访问效率是一个很重要的问题。为了避免竞态条件等问题，可以使用互斥锁、读写锁，或者无锁数据结构等方式来优化并发访问效率，提高程序的性能。