C++线程安全是如何保证的？线程不安全是如何出现的？有什么处理方案呢

在C++中，保证线程安全有如下几种机制：

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问：

#include <mutex>
#include <thread>
 
std::mutex mtx; // 全局互斥锁
 
void sharedFunction() {
    mtx.lock(); // 获取锁
    // ... 访问或修改共享资源 ...
    mtx.unlock(); // 释放锁
}
 
void threadSafeFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // C++11 锁 guard
    // 自动在作用域结束时释放锁
    // 访问或修改共享资源
}

2. 原子操作

原子操作保证单个操作的原子性，无需使用锁：

#include <atomic>
#include <thread>
 
std::atomic<int> atomicVar(0); // 初始化原子变量
 
void incrementFunction() {
    atomicVar.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 原子增加
}

3. 条件变量

条件变量用于线程间的同步：

#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>
 
std::mutex cv_m;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
 
void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(cv_m);
    cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等待条件变量通知
    // 条件满足后的工作...
}
 
void mainThread() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(cv_m);
        // 准备数据...
        ready = true;
    } // 离开作用域，解锁
    cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程
}

线程不安全是如何出现的：

线程不安全通常由以下情况引起：

• 数据竞争：多个线程同时读写同一个未受保护的内存位置。
• 不一致的共享数据：多个线程基于共享数据做出决策，但没有适当的同步。
• 错误的锁使用：例如，死锁、锁的顺序不一致等。

处理方案：

• 避免共享可变状态：尽可能使用线程局部变量。
• 使用锁：保护共享资源的访问。
• 使用原子类型：避免使用锁，适用于简单的数据操作。
• 使用读写锁：允许多个读者同时访问，但写入时需要独占访问。
• 使用条件变量：在某些需要线程间协调的场景。

示例：线程不安全示例及解决方案

线程不安全的代码：

int counter = 0;
 
void unsafeIncrement() {
    counter++; // 这里存在数据竞争
}

使用互斥锁解决线程不安全：

std::mutex mtx;
 
void safeIncrement() {
    mtx.lock();
    counter++;
    mtx.unlock();
}

或者使用std::lock_guard简化锁的管理：

void saferIncrement() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    counter++;
}

使用原子操作进一步改进：

std::atomic<int> counter(0);
 
void atomicIncrement() {
    counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}