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有关多线程

news 来源：原创 2025/6/26 23:55:07

一、多线程到底是什么？简单说一说

你可以把程序想象成一台工厂。单线程就是工厂里只有一个员工，他做事情、搬产品、打包都靠一个人，他忙起来速度会慢一些。而多线程就像有多个员工同时工作，他们各自干自己的事情，整体效率更高。

多线程的核心目标：

  • 让程序在同一时间做多件事情（如同时下载、解码、渲染）
  • 充分利用多核CPU的能力

二、多线程的实际用途——都用在哪？

1. 提升性能

  • 比如网页浏览器：一个网页里加载图片、视频、内容都可以用不同的线程同时加载，不会让用户等待。
  • 游戏：场景渲染、声音、输入处理多线程同步进行，保证画面流畅。

2. 响应性

  • UI界面：点击按钮后，后台可能在做复杂计算，用不同线程避免界面“卡死”。
  • 服务器：响应多个客户端请求，不会因为一个请求卡住导致全部慢下来。

3. 进行后台任务

  • 定时任务、后台日志写入、数据备份等常在后台异步处理，让主程序运行不受影响。

4. 实现异步操作

  • 比如微信发消息：你发出去，后台还在处理，前台不用等待，继续干其他事。

三、多线程的实现方式——都有哪些实现方式？讲得详细点，通俗易懂

你可以把多线程实现方式比喻成“请工人帮忙”，不同方式就像“请不同类型的工人”。

1. 线程创建（最基本的方法）

  • 直接用“new”新建线程：就像请一个新工人帮忙干活，启动后开始工作。
  • 示例（伪代码）：

    复制代码

    std::thread t1([](){ // 任务1 });
t1.join(); // 等待任务1完成
  • 优点：直观简单
  • 缺点：管理复杂，容易出错（如死锁、资源冲突）

2. 线程池（实际中用得最多）

  • 比喻：工厂有一个“工人储备池”，预先训练好多工人，遇到任务就从池子里派人

  • 为什么用？：避免频繁创建和销毁线程，节约资源，提高效率

  • 实现方式：

    • 预定义一定数量的工作线程
    • 任务排队，线程轮流处理
    • 任务结束后，线程还在 Ready 状态，等待新任务

  • 示意：

    复制代码

    // 创建线程池，向池中提交任务，池管理线程
thread_pool.submit(任务);

  • 优点：

    • 降低频繁开销
    • 更易管理和控制
    • 支持大量任务的并发处理

  • 缺点：

    • 实现复杂，比直接用thread难搞

3. 任务队列（结合线程池使用）

  • 比喻：任务像快递单，放到“工作队列”里，工厂的工人（线程）由队列中读取
  • 实现方式：
    • 多线程从队列里不断取任务，然后执行
    • 支持“生产者-消费者”模型（生产者放入任务，消费者（线程）处理）

4. 异步编程（简化多线程）

  • 比喻：你发送一封邮件（发请求），后台自动帮你处理，自己可继续做其他事，处理完后得到结果（回调或未来）
  • 在C++中：
    • 使用 std::async() 和 std::future 提供异步任务管理
    • 让代码更像“顺序”写法，但实际异步执行

复制代码

auto future_result = std::async(std::launch::async, [](){ return heavy_computation(); });
int result = future_result.get(); // 等待结果
  • 优点：
    • 方便快捷，少写管理细节
    • 更易于写出逻辑清晰的程序

四、多线程的注意点——不要踩坑！

  • 同步问题：多个线程同时访问共享资源，必须用“互斥锁”保护（就像工人轮流用工具）
  • 死锁：两个员工互相等待对方释放工具，结果都卡住了，要避免
  • 竞态条件：不按照预期顺序操作，导致结果错乱，要用“锁”保证顺序
  • 线程安全：共享数据要用锁或者原子操作，保证不出错
  • 资源管理：不要让线程泄露（比如死在等待上），需要合理启动和结束线程

五、总结

方法比喻优点缺点
直接创建新线程雇用一个临时工简单直观管理繁琐，成本高
线程池固定工人池高效、管理方便比较复杂的实现过程
异步任务提交任务到后台编写代码更简单、逻辑清晰依赖队列和同步机制
事件驱动/回调让事件“触发”处理非阻塞，响应快编码复杂，维护难

一、消息队列（Message Queue）：详细讲解

什么是消息队列？

想象你有个“邮箱”或“留言板”。不同的程序（生产者）把信息写进去，另一些程序（消费者）轮流取出来处理。这个“邮箱”就是消息队列，它解决了生产者和消费者之间的“异步通信”和“解耦合”问题。

核心思想

  • 解耦：生产者把事情放到队列里后，不用等待消费者处理完再继续，双方相互独立。
  • 缓冲：队列可以缓冲快速生产、慢速消费的场景。
  • 顺序保证：按照插入顺序，逐一“取出”消息。

内部工作流程

  • 生产（Put）：把消息（任务、数据）放入队列
  • 消费（Get）：取出消息，进行处理
  • 同步机制：当队列为空时，消费者等待（阻塞）；当队列满时，生产者等待。

关键点

  • 阻塞与非阻塞：在某些情况下，取消息或放消息时会阻塞（等待）或直接返回。
  • 容量控制：可以设定队列最大宽度，防止内存无限膨胀。
  • 多生产、多消费：支持多线程/进程同时生产、消费，需同步。

常用实现

  • 使用 std::queue 搭配 mutex 和 condition_variable（如前面示例）
  • 使用操作系统或中间件提供的队列（如RabbitMQ、ActiveMQ）实现跨进程或分布式。

典型应用场景

  • 异步邮件通知
  • 任务调度
  • 事件通知系统
  • 日志收集

二、信号（Signals）：详细讲解

什么是信号？

信号在操作系统中就像是一种“远程通知”。比如，当你按Ctrl+C（SIGINT），操作系统就会发出一个信号告诉程序“有人请求你中断”。

信号怎么工作？

  1. 发生：某个事件触发（如计时器到点、用户操作、硬件事件）
  2. 通知：操作系统通过信号机制通知应用程序
  3. 处理：你的程序可以定义“信号处理函数”，收到信号后执行特定代码

信号的作用

  • 异步通知：不在程序代码直线流程中，但需要立即响应
  • 进程控制：暂停、终止、重启
  • 共享信息：告诉多个进程某个状态变化

例子

  • SIGINT：用户按Ctrl+C，终止程序
  • SIGSTOP：程序暂停
  • SIGSEGV：非法访问内存导致的信号（比如崩溃时）

限制和注意事项

  • 信号处理函数一般限制在简单操作，不能调用会阻塞的系统调用
  • 由于信号是异步的，处理逻辑要避免复杂和脏操作

多线程中的信号

  • 信号通常由主线程接收，不能让多个线程同时处理同一个信号
  • 线程中的信号屏蔽机制：可以阻止某些线程处理信号

三、信号量（Semaphore）：详细讲解

信号量的本质

想象你有一排停车位（比如3个），你想确保最多只有3辆车同时停车，不多也不少。这里，停车位的数量就是“信号量的值”。

作用

  • 控制访问：控制多个线程对共享资源的同时访问数量
  • 同步操作：保证某些操作在条件满足时才能执行（比如等待资源释放）

核心两操作

  • 等待（wait 或 P）：占用资源，把信号量值减1（如果值为0，等待直到资源释放）
  • 释放（signal 或 V）：释放资源，把信号量值加1（唤醒等待的线程）

举个例子

假设有一个“数据库连接池”，最多同时使用5个连接：

复制代码

std::counting_semaphore<5> sem(5); // C++20的标准库支持，也可用第三方库

每个请求连接：

复制代码

sem.acquire();   // 占用一个连接
// 使用连接
sem.release();   // 释放连接

特色

  • 可以是“计数的”，意味着同时允许多个线程访问
  • 也可以是二值的（0或1），类似“锁”

使用场景

  • 限制并发访问（避免资源耗尽）
  • 实现同步（保证一个线程等待另一个完成）

四、原子变量（Atomic Variables）：详细讲解

为什么用原子变量？

在多线程中，如果没有同步措施，多个线程同时读写（比如对同一个计数变量）可能会出错，导致“数据错乱”。

原子变量的作用

  • 保证操作的完整性：读-改-写是一个不可中断的“原子操作”
  • 避免竞态条件：多个线程同时操作，结果依然正确
  • 高效率：无需锁，硬件原语支持，性能较好

常用方法（以C++为例）

复制代码

#include <atomic>std::atomic<int> count(0);// 多线程自增
count.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);

或者更简单的：

复制代码

count++; // C++11后，原子类型支持operator++

核心技术

  • 底层硬件支持：现代CPU支持原子指令（如CAS：Compare And Swap）
  • 内存顺序控制：指定操作的内存序（如 relaxed、acquire、release，帮助更复杂的同步）

常见应用

  • 计数器：统计任务数量
  • 状态标志：比如“是否已完成”
  • 简单同步：避免锁的开销，用于简单场景

五、总结——深入理解这几个概念的关系与区别

方面消息队列信号信号量原子变量
本质异步消息传递系统通知计数资源管理原子操作变量
主要用途解耦、异步通信事件通知、中断处理资源限制、同步变量安全更新
同步机制阻塞/等待异步中断等待/通知无锁原子操作
适用场景任务调度、事件驱动系统事件、信号通知共享资源控制计数器、状态标志

可能的补充内容

  • 锁（Mutex）：一样是同步机制，用于保护临界区，避免数据竞争
  • 条件变量（Condition Variable）：结合锁实现线程等待特定条件
  • 管程（Monitor）：封装锁和条件变量，简化同步
  • 现代多线程设计原则：尽量使用无锁（Atomic）和消息传递，而不是大量锁，提升性能与响应速度。

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编程日记 2025/5/31 9:15:34

数据预处理之数据平滑处理详解

信号数据收到噪声干扰&#xff0c;影响检测的准确性。数据平滑处理的关键步骤&#xff0c;旨在降低噪声同时保留信号特征。 1.1 移动平均&#xff08;Moving Average&#xff09; 原理&#xff1a;通过计算窗口内数据的平均值来平滑噪声&#xff0c;适用于快速去除高频噪声。…...

编程日记 2025/6/23 18:08:42

deepseek梳理java高级开发工程师算法面试题

Java高级工程师算法面试题与答案 一、数据结构与算法基础 1. 红黑树与AVL树比较 题目&#xff1a;详细说明红黑树和AVL树的区别及各自的适用场景&#xff0c;并用Java实现红黑树的插入操作。 答案&#xff1a; 区别对比&#xff1a; ┌─────────────────…...

编程日记 2025/6/25 11:42:46

【SSL证书系列】SSL证书工作原理解读

SSL&#xff08;Secure Sockets Layer&#xff09;及其继任者TLS&#xff08;Transport Layer Security&#xff09;是用于保护网络通信安全的加密协议。SSL证书是实现HTTPS协议的核心&#xff0c;其工作原理涉及加密技术、身份验证和信任机制。以下是其工作原理的详细分步解析…...

编程日记 2025/6/25 11:38:46

模板源码建站、定制建站和SaaS 建站有什么区别？企业建站应该怎么选？

最近遇到不少客户问&#xff0c;为什么现在做一个网站为什么从几百到几万的都有呀&#xff1f;市面上五花八门有模板源码建站、SaaS建站和定制建站我该怎么选&#xff1f;有什么区别&#xff1f;今天小编就跟大家一起来唠一唠&#xff0c;接下来我们就一起来看看吧&#xff01;…...

编程日记 2025/6/26 4:44:08

OpenCV进阶操作：人脸检测、微笑检测

文章目录 前言一、OpenCV如何实现人脸检测1、haar特征2、级联分类器3、级联分类器的使用 二、人脸检测、微笑检测 案例实现1、预处理2、加载分类器3、标注人脸4、运行结果&#xff1a;4、微笑检测 总结 前言 要实现人脸识别首先要判断当前图像中是否出现了人脸&#xff0c;这就…...

编程日记 2025/6/26 7:16:12

论文查询的ai工具 —— SCAICH

&#xff08;1&#xff09;SCAICH的项目背景 SCAICH是由Scihub Web3 Community孵化的技术产品。SCAICH是一个非盈利性的平台&#xff0c;模式上采用免费邀请码模式&#xff0c;采用捐赠和广告维持成本。产品将会面向世界上所有国家的学者。 &#xff08;2&#xff09;SCAICH产品…...

编程日记 2025/6/24 19:53:23