读《C++并发编程实战 -- C++ Concurrency In Action》

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并发（concurrency）：把任务在不同的时间点交给处理器进行处理。在同一时间点，任务并不会同时运行。

C++ 并发编程基础

什么是并发

并发（concurrency）：把任务在不同的时间点交给处理器进行处理。在同一时间点，任务并不会同时运行。

并行（parallelism）：把每一个任务分配给每一个处理器独立完成。在同一时间点，任务一定是同时运行。

并发的方式包括多进程并发和多线程并发，多进程并发通过进程间通信（信号、套接字、文件、管道等）来相互传递信息；由于同一进程内的所有线程都共用相同的地址空间，所以多进程并发通过共享内存来同步数据。

并发技术可以：

  1. 分离关注点（separation of concerns），使得不同的线程关注不同的任务；
  2. 提升性能。任务并行可以采取两种方式，一种是将单一任务分成多个部分，各自并行运作，从而节省总运行耗时；第二种是利用并行资源解决规模更大的问题。

什么时候避免并发？

  1. 并发会增加额外的复杂度，增加开发时间和维护成本
  2. 多线程的性能增幅可能不如预期，因为线程的启动会有额外的时间开销
  3. 线程是一种有限的资源，过多的线程会消耗系统资源，从而导致系统整体变慢
  4. 运行的线程越多，操作系统的上下文切换就越频繁，上下文切换会减少本该用于实质工作的时间

我们先尝试一个简单的多线程版本的 Hello World

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#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

void hello() {
    cout << "Hello Concurrent World\n";
}

int main(){
    thread t(hello);
    t.join();
}

线程管控

线程的管控可以通过 std::thread 对象来实现。

悬空引用（Dangling Reference）是指一个引用在指向有效数据之后，被引用的数据被销毁或释放，从而引用变成了无效的情况。这种情况可能导致程序运行时的未定义行为，因为引用指向的数据已经不存在，但程序仍试图通过该引用访问这个不存在的数据。如果新线程上的函数持有指针或引用，指向主线程的局部变量；但主线程所运行的函数退出后，新线程却还没结束，这时就会访问悬空引用的情况。

上述情况的处理办法是令线程函数完全自含（self-contained），将数据复制到新线程内部，而不是共享数据。另一种方法是汇合新线程，确保主线程的函数退出前，新线程执行完毕。

等待线程完成可调用成员函数join()来实现。在std::thread对象销毁前，我们需确保已经调用join()或detach().假使打算等待线程结束，则需小心地选择执行代码的位置来调用join()。原因是，如果线程启动以后主线程有异常抛出，而join()尚未执行，则该join()调用会被略过。

在线程间共享数据

  • 互斥锁（std::mutex）和守卫（std::lock_guard） 是最基础的保护手段。建议用 RAII 封装锁的获取与释放，避免异常路径遗忘 unlock()。
  • 读写场景 可选 std::shared_mutex，提升读多写少情况下的吞吐。
  • 共享数据最好封装在类中，通过接口隐藏同步细节，并在接口处标记线程安全语义（例如 const 方法是否需要锁）。

并发操作的同步

  • 条件变量 (std::condition_variable) 适合“等待事件”场景，注意循环等待并搭配谓词，避免虚假唤醒。
  • 期物（std::future/std::promise） 让任务之间通过值传递同步结果，与 std::async 结合时可以自动派发线程。
  • 闩锁与栅栏 (std::latch/std::barrier) 在 C++20 提供了更现代的阶段同步手段，写并行算法时很实用。

C++ 内存模型和原子操作

  • std::atomic<T> 提供无锁语义，默认 memory_order_seq_cst 最保守；可根据需求选择 acquire/release 等更轻量的序。
  • 多线程可见性靠 happens-before 保证：锁解锁、条件变量通知、原子操作等都会建立 happens-before 关系。
  • 自旋锁、无锁结构都必须正确处理 ABA、缓存一致性等问题，调试难度远超互斥锁方案。

设计基于锁的并发数据结构

  • 拆分粗粒度锁是提速关键：链表可以按桶分段上锁，哈希表可对每个 bucket 配独立互斥量。
  • 避免死锁常见策略：固定加锁顺序、使用 std::lock 实现一次性加多个锁、在失败时回退并重试。
  • 封装同步原语，对外暴露 STL 风格接口，减少误用概率。

设计无锁数据结构

  • 基础原语是 CAS (compare_exchange_weak/strong)，配合 hazard pointer 或 epoch 回收解决内存释放问题。
  • Michael-Scott 队列、Treiber 栈是经典无锁结构，实测性能需考虑 CPU 拓扑与 false sharing。
  • 无锁不等于性能最优：在低并发或抢占严重的场景，粗粒度锁反而更稳定。

设计并发代码

  • 先做任务划分：区分数据并行（同一任务分片）与任务并行（不同任务流水线）。
  • 提前识别共享状态并决定同步策略，尽量让任务逻辑无共享或最小共享。
  • 保持异常安全：线程函数内部捕获异常并回传给主线程，避免“silent crash”。

高级线程管理

  • 线程池/工作队列可以显著降低频繁创建线程的开销。C++17 可使用 std::async/std::packaged_task 作为轻量封装。
  • 定时器、后台维护线程要有退出机制（stop flag + condition variable），防止程序无法优雅结束。
  • 对系统线程资源进行限流（std::hardware_concurrency 只是建议值），结合绑定 CPU、调整优先级进行调优。

并行算法函数

  • C++17 引入 std::execution::par / par_unseq 让大部分 STL 算法具有并行后端，实现数据并行化。
  • 注意算法是否满足无副作用、迭代器是否随机访问，否则并行执行策略可能抛异常或回退到串行。
  • 对大量数据的转换/归约，可优先尝试平铺在 std::transform_reduce 等并行算法上。

多线程应用的测试和除错

  • 单元测试要覆盖竞态条件：可以通过注入延迟、stress test 或工具（ThreadSanitizer、Helgrind）发现数据竞争。
  • 记录线程、事件时间线（logging + trace）有助于复现场景，必要时写自定义探针。
  • 把并发问题转化为确定性重放：利用固定随机种子、任务排序或伪调度器（virtual time）简化调试。