C++11 多線程編程實戰：從 atomic 到 condition_variable 完整指南

一、原子操作 <atomic>

原子操作是多線程中「最小且不可並行化」的操作，C++11 在 <atomic> 提供跨平台支援，底層映射至 CPU 原子指令（如 x86 的 lock 前綴）。

基本類型與用法

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

atomic total{0}; // C++11 列表初始化

void func(int) {
    for (long long i = 0; i < 100'000'000; ++i)
        total += i; // 原子累加
}

int main() {
    thread t1(func, 0), t2(func, 0);
    t1.join(); t2.join();
    cout << total << endl; // 確定性結果
}

關鍵特性

• std::atomic<T> 不可拷貝、不可移動，僅能從 T 構造，防止意外共享。
• 讀寫對應 load() / store()，支援 memory_order 微調一致性模型。
• 複合操作：fetch_add、compare_exchange_weak/strong 等實現無鎖演算法。

二、線程管理 <thread>

建立與同步

void task(int id) { /* ... */ }

int main() {
    thread t1(task, 1);           // 直接傳參
    thread t2([](int n){ /* ... */}, 2); // Lambda
    thread t3(bind(task, 3));     // std::bind

    t1.join();  // 阻塞等待結束
    t2.detach(); // 分離，主線程不再管理，需確保線程安全退出
}

• join()：阻塞調用者直到線程結束，確保資源釋放。
• detach()：線程與 thread 對象分離，獨立運行，對象析構不影響線程，但無法再 join。
• thread 不可拷貝，可移動（std::move）。

三、互斥量與鎖 <mutex>

四種互斥量

RAII 鎖包裝器：首選 lock_guard / unique_lock

mutex mtx;

void safe_func() {
    lock_guard guard(mtx); // 構造加鎖，析構解鎖，防忘解鎖
    // 臨界區
}

void flexible_func() {
    unique_lock ul(mtx);   // 可手動 unlock/lock，支援條件變量
    ul.unlock();                  // 提前釋放
    // 非臨界區代碼
    ul.lock();                    // 重新加鎖
}

四、條件變量 <condition_variable>

條件變量實現「等待-通知」模式，必須搭配 unique_lock<mutex> 使用。

核心 API

經典生產者-消費者模式

mutex mtx;
condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker(int id) {
    unique_lock lck(mtx);
    while (!ready) cv.wait(lck); // 必須用 while 防虛假喚醒
    cout << "Thread " << id << " running\n";
}

void go() {
    {
        unique_lock lck(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_all(); // 在鎖外通知，減少競爭
}

int main() {
    thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) threads[i] = thread(worker, i);
    go();
    for (auto& t : threads) t.join();
}

關鍵點總結

1. 條件變量 不保存狀態，需配合 bool ready 等標誌位。
2. wait 內部自動 unlock -> sleep -> relock，原子性保證。
3. 必須用 while (!condition) 而非 if，防禦虛假喚醒。
4. notify_all 在鎖外調用可減少鎖競爭（推薦做法）。