C++并发编程指南01

丁金金_chihiro_修行

于 2025-01-29 18:17:22 发布

阅读量774

点赞数 14

分类专栏： C++并发编程指南（第二版）文章标签： c++ java redis

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_55125921/article/details/145394243

版权

C++并发编程指南（第二版）专栏收录该内容

11 篇文章

订阅专栏

文章目录

1.1.1 计算机的并发

定义：计算机的并发指在单个系统中同时执行多个独立任务。

历史背景：

多任务操作系统：多年前，计算机通过任务切换实现多任务运行。
多处理器服务器：早期已实现并行计算。

并发流行的原因：真正的并行。

单核处理器：

任务切换：通过快速切换任务，制造并发的假象。
局限性：每次只能执行一个任务，切换有开销。

多核处理器：

硬件并发：真正并行多个任务。
普及：多核处理器在台式机中越来越常见。

任务切换与硬件并发：

任务切换：单核处理器上，任务交替执行，有切换开销。
硬件并发：多核处理器上，任务真正并行执行。

硬件线程：

多线程：某些处理器在一个核心上可执行多个线程。
数量重要性：硬件线程数量决定并发任务数。

任务切换的持续重要性：

任务数量：即使有硬件并发，任务切换仍适用于任务数超过硬件并行能力的情况。
后台任务：任务切换使后台任务得以运行。

实际应用：

图1.1：双核机器上任务并行 vs. 单核机器上任务切换。
图1.2：双核处理器上四个任务的任务切换。

总结：

技术适用性：无论单核还是多核，任务切换和硬件并发技术都适用。
硬件影响：并发使用方式取决于可用硬件并发能力。

在这里插入图片描述
图一

在这里插入图片描述
图二

1.1.2 并发的方式

类比：

两个程序员在两个办公室：代表多进程并发。
- 优点：独立工作，互不干扰。
- 缺点：沟通困难，管理成本高。
两个程序员在一个办公室：代表多线程并发。
- 优点：沟通方便，资源共享。
- 缺点：注意力分散，资源竞争。

并发的基本途径：

开发人员：代表线程。
办公室：代表进程。

多进程并发

定义：将应用程序分为多个独立的进程同时运行。

特点：

进程间通信：通过信号、套接字、文件、管道等，但通常复杂且速度慢。
进程保护：操作系统保护进程，防止数据被修改。
固定开销：启动进程和管理进程需要额外资源。

优点：

安全性：操作系统提供保护和高级通信机制，易于编写安全并发代码。
分布式支持：可在不同机器上运行进程，提高并行可用性和性能。

缺点：

通信成本高：进程间通信复杂且开销大。
资源消耗：运行多个进程需要更多资源。

应用场景：适用于需要高隔离性和安全性的场景，如分布式系统。

多线程并发

定义：在单进程中运行多个线程。

特点：

线程共享地址空间：线程间可访问大部分数据（全局变量、指针等）。
轻量级：线程开销远小于进程。
数据一致性：需确保线程访问的数据一致，增加了线程通信的复杂性。

优点：

高效通信：通过共享内存通信，开销小。
资源利用率高：线程共享资源，减少管理成本。

缺点：

数据竞争：共享内存可能导致数据不一致。
复杂性：需要额外机制（如锁）确保线程安全。

应用场景：适用于需要高效通信和资源共享的场景，如高性能计算。

总结：

多进程并发：适合高隔离性和分布式场景，但通信成本高。
多线程并发：适合高效通信和资源共享，但需处理数据竞争。
C++的并发实现：本书专注于多线程并发，因其高效且主流。

图例：

图1.3：多进程间通信。
图1.4：多线程间通过共享内存通信。

后续内容：本书将重点讨论多线程并发及其实现。

在这里插入图片描述

图 1.3
在这里插入图片描述
图1.4

1.2 为什么使用并发

原因：

分离关注点（SOC）。
性能提升。

1.2.1 分离关注点

定义：将相关代码与无关代码分离，使程序更易理解、测试和维护。

应用场景：

示例：DVD播放程序。
- 功能1：播放DVD（解码数据并输出到硬件）。
- 功能2：处理用户输入（如“暂停”、“退出”）。
单线程问题：需要定期检查用户输入，导致代码耦合。
多线程解决方案：
- 线程1：处理用户界面。
- 线程2：播放DVD。
- 交互：用户点击“暂停”时，线程间通信。

优点：

响应性：用户界面线程可立即响应用户请求。
清晰性：任务分离使代码更简单、更易维护。
独立性：线程划分基于设计，不依赖CPU核心数。

1.2.2 性能

背景：

多核处理器普及：芯片制造商通过多核设计提升性能。
挑战：开发者需设计并发软件以利用多核性能。

性能提升方式：

任务并行（Task Parallelism）：
- 定义：将单个任务拆分为多个部分并行执行。
- 类型：
  - 过程并行：不同线程执行算法的不同部分。
  - 数据并行：不同线程对不同数据块执行相同操作。
- 易并行算法：具有良好的可扩展性，随硬件线程增加而提升性能。
处理更大问题：
- 定义：通过并行处理更多数据，提升吞吐量。
- 示例：并行处理图片的不同区域，支持更高分辨率视频。

限制：

依赖关系：任务间可能存在依赖，增加复杂性。
资源限制：线程数量受系统资源限制。

1.2.3 什么时候不使用并发

原因：收益小于成本。

成本：

复杂性：
- 多线程代码难以理解和维护。
- 增加的复杂性可能导致更多错误。
性能开销：
- 线程启动和上下文切换的开销可能超过性能增益。
- 任务完成时间短时，单线程可能更高效。
资源限制：
- 线程数量受系统资源（如内存、地址空间）限制。
- 过多线程可能导致系统性能下降。

适用场景：

性能关键部分：只有性能关键部分值得并发化。
设计清晰性：如果分离关注点带来的清晰性优于性能收益，也可使用并发。

总结：

权衡：使用并发需权衡性能增益与代码复杂性。
优化策略：并发是优化策略之一，需谨慎使用。

结论：

C++开发者的多线程意义：多线程是提升性能和分离关注点的重要工具，但需根据具体场景权衡使用。

后续内容：本书将深入探讨如何在C++中实现多线程并发。

并发和多线程

1.3.1 C++多线程历史

C++98标准：不支持线程，缺乏内存模型。因此，在没有编译器扩展的情况下无法编写多线程应用。
平台相关扩展：供应商通过POSIX或Windows API等提供多线程支持，但这些依赖于特定平台且需要相应的运行库支持。
第三方库：如MFC、Boost和ACE提供了面向对象的多线程工具，简化了任务管理。

1.3.2 支持并发

C++11标准：引入了新的内存模型和扩展的标准库，包括线程管理、数据保护、同步操作及原子操作。
继承自Boost：许多C++11线程库类的设计与Boost线程库相似，方便已有用户过渡。
语言改进：C++11不仅限于并发支持，还包括对语言本身的多项改进，有利于简化并行编程。

1.3.3 C++14和C++17对并发和并行的支持

C++14：增加了新的互斥量类型以更好地保护共享数据。
C++17：引入了并行算法，进一步增强了标准库的功能，使编写多线程代码更加便捷。
原子操作：直接在语言层面支持，减少了对平台特定汇编指令的依赖，提高了代码的可移植性和效率。

1.3.4 C++线程库的效率

抽象代价：C++标准委员会在设计线程库时注重性能，确保高级API与底层API之间的性能差距最小化。
灵活性：提供了从低级到高级的各种工具，允许开发者根据需求选择合适的工具进行开发。
优化考虑：尽管高级工具可能带来额外开销，但在大多数情况下，这种开销是可控的，并且可以通过良好的程序设计来减少性能瓶颈。

1.3.5 平台相关的工具

native_handle()：C++线程库中提供的函数，允许访问平台特定的API，以便在标准库不足以满足需求时使用更底层的工具。
慎重选择：虽然可以利用平台特定的工具实现更高的性能或特殊功能，但这通常意味着增加复杂度和维护成本，因此应在充分评估后谨慎采用。

总结来说，随着C++版本的演进，特别是从C++11开始，对并发和多线程的支持有了显著增强，使得开发者能够编写出高效、可移植且易于维护的多线程应用程序。同时，对于追求极致性能的应用场景，C++也提供了足够的灵活性和底层访问能力。

开始入门

1.4.1 欢迎来到并发世界

为了编写C++多线程程序，首先需要一个支持C++11/C++14/C++17标准的编译器。下面通过对比单线程和多线程版本的“Hello World”程序来介绍如何使用C++进行并发编程。

单线程 “Hello World” 程序

#include <iostream>
int main() {
  std::cout << "Hello World\n";
}

这个简单的程序将字符串“Hello World”输出到标准输出流。

多线程 “Hello, Concurrent World” 程序

#include <iostream>
#include <thread>  // 1

void hello() {  // 2
  std::cout << "Hello Concurrent World\n";
}

int main() {
  std::thread t(hello);  // 3
  t.join();  // 4
}

关键点解析：

包含头文件 <thread>：这是使用C++标准库中多线程功能的第一步，提供了管理线程的类和函数。
定义独立函数 hello()：每个线程都需要一个执行起点，这里定义了一个简单的函数hello()用于新线程的启动。
创建并启动新线程：通过std::thread t(hello);创建了一个新的线程t，该线程开始执行hello()函数中的代码。
等待线程完成：调用t.join();让主线程等待t线程执行完毕后再继续执行后续代码。如果不调用join()，主线程可能会在t线程之前结束，导致程序提前退出。

总结：

区别与联系：相较于单线程程序，多线程版本主要增加了线程管理的逻辑，包括引入了<thread>库、定义了独立的执行单元（函数），并通过std::thread对象启动新线程，最后使用join()确保所有线程正确完成。
适用场景：尽管这个例子展示了如何创建和管理线程，但对于如此简单的任务来说，并不推荐使用多线程，因为这样不仅没有性能上的优势，还增加了复杂性。更多复杂的实例将在后续章节中展示，说明何时及如何有效地利用多线程技术。

通过这些基础示例，你可以开始探索更高级的并发编程概念和技术，逐步构建出高效且可维护的多线程应用程序。