C++如何安全地进行线程间数据共享？（代码示例）-C++-PHP中文网

C++如何安全地进行线程间数据共享？（代码示例）

穿越時空

发布： 2025-12-23 16:05:02

原创

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C++线程安全共享数据需避免数据竞争，主要用std::mutex保护复合操作、std::atomic处理单变量读写、shared_ptr管理生命周期，并慎用全局/静态变量。

c++如何安全地进行线程间数据共享？（代码示例）

在C++中安全地进行线程间数据共享，核心是避免数据竞争（data race），即多个线程同时访问同一内存位置，且至少有一个是写操作，又无同步机制。关键手段是使用互斥量（std::mutex）、原子操作（std::atomic）或无锁编程技巧，配合恰当的生命周期管理。

用 std::mutex 保护共享变量

适用于需要保护一段复杂逻辑（如读-改-写）的场景。注意：互斥量本身不能被拷贝，需通过引用或指针传递；锁的粒度要合理——太粗影响并发性，太细则易出错或死锁。

示例：两个线程对同一计数器做自增

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

int counter = 0;
std::mutex mtx;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // RAII 自动加锁/解锁
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join(); t2.join();
    std::cout << "Final counter: " << counter << "\n"; // 输出 200000
}

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用 std::atomic 替代简单读写

适用于单个变量的读、写、自增等基础操作。原子类型提供无锁、线程安全的语义，性能通常优于互斥量，但不适用于复合操作（如“先读再条件更新”需 compare_exchange_weak）。

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示例：用 std::atomic_int 实现线程安全计数器

#include <thread>
#include <atomic>
#include <iostream>

std::atomic_int counter{0};

void increment_atomic() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment_atomic);
    std::thread t2(increment_atomic);
    t1.join(); t2.join();
    std::cout << "Final counter: " << counter.load() << "\n";
}

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避免悬挂指针：确保共享数据生命周期足够长

常见错误是在线程中访问局部变量地址，或提前释放堆内存。推荐方式包括：将数据作为对象成员、使用 std::shared_ptr 管理所有权、或明确约定生命周期由主线程负责。

不要把局部变量地址传给线程（栈内存会销毁）
若共享动态分配对象，用 std::shared_ptr<t></t> 保证其存活到所有线程结束
可借助 std::jthread（C++20）自动 join，减少资源管理疏漏

慎用全局变量和静态变量

它们天然跨线程可见，但极易引发隐式共享和初始化顺序问题。C++11 起，带构造函数的静态局部变量是线程安全初始化的（一次且仅一次），但之后的访问仍需同步。

例如以下代码是安全的初始化，但后续修改仍需保护：

std::map<int, std::string>& get_cache() {
    static std::map<int, std::string> cache; // 初始化线程安全
    return cache;
}

// 使用时：
{
    auto& c = get_cache();
    std::lock_guard<std::mutex> lock(cache_mutex);
    c[42] = "hello"; // 修改仍需加锁！
}

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