C++ 并发

计算机中的并发

以前，大多数计算机只有一个处理器，具有单个处理单元(processing unit)或核心(core)，如今还有很多这样的台式机。这种机器只能在某一时刻执行一个任务，不过它可以每秒进行多次任务切换。通过“这个任务做一会，再切换到别的任务，再做一会儿”的方式，让任务看起来是并行执行的。这种方式称为任务切换。如今，我们仍然将这样的系统称为并发：因为任务切换得太快，以至于无法感觉到任务在何时会被暂时挂起，而切换到另一个任务。任务切换会给用户和应用程序造成一种“并发的假象”。因为这种假象，当应用在任务切换的环境下和真正并发环境下执行相比，行为还是有着微妙的不同。特别是对内存模型不正确的假设，在多线程环境中可能不会出现。

多处理器计算机用于服务器和高性能计算已有多年。基于单芯多核处理器(多核处理器)的台式机，也越来越大众化。无论拥有几个处理器，这些机器都能够真正的并行多个任务。我们称其为硬件并发(hardware concurrency)”。

下图显示了一个计算机处理恰好两个任务时的理想情景，每个任务被分为10个相等大小的块。在一个双核机器(具有两个处理核心)上，每个任务可以在各自的处理核心上执行。在单核机器上做任务切换时，每个任务的块交织进行。但它们中间有一小段分隔(图中所示灰色分隔条的厚度大于双核机器的分隔条);为了实现交织进行，系统每次从一个任务切换到另一个时都需要切换一次上下文(context switch)，任务切换也有时间开销。进行上下文的切换时，操作系统必须为当前运行的任务保存CPU的状态和指令指针，并计算出要切换到哪个任务，并为即将切换到的任务重新加载处理器状态。然后，CPU可能要将新任务的指令和数据的内存载入到缓存中，这会阻止CPU执行任何指令，从而造成的更多的延迟。

有些处理器可以在一个核心上执行多个线程，但硬件并发在多处理器或多核系统上效果更加显著。硬件线程最重要的因素是数量,也就是硬件上可以并发运行多少独立的任务。即便是具有真正硬件并发的系统，也很容易拥有比硬件“可并行最大任务数”还要多的任务需要执行，所以任务切换在这些情况下仍然适用。

并发的途径

多进程并发

使用并发的第一种方法，是将应用程序分为多个独立的进程，它们在同一时刻运行，就像同时进行网页浏览和文字处理一样。如图1.3所示，独立的进程可以通过进程间常规的通信渠道传递讯息(信号、套接字、文件、管道等等)。不过，这种进程之间的通信通常不是设置复杂，就是速度慢，这是因为操作系统会在进程间提供了一定的保护措施，以避免一个进程去修改另一个进程的数据。还有一个缺点是，运行多个进程所需的固定开销：需要时间启动进程，操作系统需要内部资源来管理进程，等等。

当然，以上的机制也不是一无是处：操作系统在进程间提供附加的保护操作和更高级别的通信机制，意味着可以更容易编写安全的并发代码。实际上，在类似于Erlang的编程环境中，将进程作为并发的基本构造块。

使用多进程实现并发还有一个额外的优势——可以使用远程连接(可能需要联网)的方式，在不同的机器上运行独立的进程。虽然，这增加了通信成本，但在设计精良的系统上，这可能是一个提高并行可用行和性能的低成本方式。

多线程并发

并发的另一个途径，在单个进程中运行多个线程。线程很像轻量级的进程：每个线程相互独立运行，且线程可以在不同的指令序列中运行。但是，进程中的所有线程都共享地址空间，并且所有线程访问到大部分数据———全局变量仍然是全局的，指针、对象的引用或数据可以在线程之间传递。虽然，进程之间通常共享内存，但是这种共享通常是难以建立和管理的。因为，同一数据的内存地址在不同的进程中是不相同。图1.4展示了一个进程中的两个线程通过共享内存进行通信。

地址空间共享，以及缺少线程间数据的保护，使得操作系统的记录工作量减小，所以使用多线程相关的开销远远小于使用多个进程。不过，共享内存的灵活性是有代价的：如果数据要被多个线程访问，那么程序员必须确保每个线程所访问到的数据是一致的。问题并非无解，只要在编写代码时适当地注意即可，这同样也意味着需要对线程通信做大量的工作。多个单线程/进程间的通信(包含启动)要比单一进程中的多线程间的通信(包括启动)的开销大，若不考虑共享内存可能会带来的问题，多线程将会成为主流语言(包括C++)更青睐的并发途径。此外，C++标准并未对进程间通信提供任何
原生支持，所以使用多进程的方式实现，这会依赖与平台相关的API。

线程资源

线程的资源有限，如果太多的线程同时运行，则会消耗很多操作系统资源，从而使得操作系统整体上运行得更加缓慢。不仅如此，因为每个线程都需要一个独立的堆栈空间，所以运行太多的线程也会耗尽进程的可用内存或地址空间。对于一个可用地址空间为4GB(32bit)的架构来说，这的确是个问题：如果每个线程都有一个1MB的堆栈(很多系统都会这样分配)，那么4096个线程将会用尽所有地址空间，不会给代码、静态数据或者堆数据留有任何空间。即便64位(或者更大)的系统不存在这种直接的地址空间限制，但其他资源有限：如果你运行了太多的线程，最终也是出会问题的。尽管线程池可以用来限制线程的数量，但这也并不是什么灵丹妙药，它也有自己的问题。

最后，运行越多的线程，操作系统就需要越多的上下文切换，每一次切换都需要耗费本可以花在有价值工作上的时间。所以在某些时候，增加一个额外的线程实际上会降低，而非提高应用程序的整体性能。为此，如果你试图得到系统的最佳性能，可以考虑使用硬件并发(或不用)，并调整运行线程的数量。为性能而使用并发就像所有其他优化策略一样：它拥有大幅度提高应用性能的潜力，但它也可能让代码更加复杂，更难以理解，并且更容易出错。因此，应用中只有具有显著增益潜力的性能关键部分，才值得进行并发化。当然，如果性能收益的潜力仅次于设计清晰或关注点分离，可能也值得使用多线程。