正文

C++11標準在標準庫中為多執行緒提供了元件，這意味著使用C++編寫與平臺無關的多執行緒程式成為可能，而C++程式的可移植性也得到了有力的保證。另外，併發程式設計可提高應用的效能，這對對效能錙銖必較的C++程式設計師來說是值得關注的。

1. 何為併發

併發指的是兩個或多個獨立的活動在同一時段內發生。生活中併發的例子並不少，例如在跑步的時候你可能同時在聽音樂；在看電腦顯示器的同時你的手指在敲擊鍵盤。這時我們稱我們大腦併發地處理這些事件，只不過我們大腦的處理是有次重點的：有時候你會更關注你呼吸的頻率，而有時候你更多地被美妙的音樂旋律所吸引。這時我們可以說大腦是一種併發設計的結構。

與併發相近的另一個概念是並行。它們兩者存在很大的差別。並行就是同時執行，計算機在同一時刻，在某個時間點上處理兩個或以上的操作。判斷一個程式是否並行執行，只需要看某個時刻上是否多兩個或以上的工作單位在執行。一個程式如果是單執行緒的，那麼它無法並行地執行。利用多執行緒與多程序可以使得計算機並行地處理程式（當然 ，前提是該計算機有多個處理核心）。

• 併發：同一時間段內可以交替處理多個操作：

圖中整個安檢系統是一個併發設計的結構。兩個安檢佇列隊首的人競爭這一個安檢視窗，兩個佇列可能約定交替著進行安檢，也可能是大家同時競爭安檢視窗（通訊）。後一種方式可能引起衝突：因為無法同時進行兩個安檢操作。在邏輯

• 並行：同一時刻內同時處理多個操作：

圖中整個安檢系統是一個並行的系統。在這裡，每個佇列都有自己的安檢視窗，兩個佇列中間沒有競爭關係，佇列中的某個排隊者只需等待佇列前面的人安檢完成，然後再輪到自己安檢。在物理上，安檢視窗同時處理這兩個佇列。

併發的程式設計，提供了一種方式讓我們能夠設計出一種方案將問題（非必須地）並行地解決。如果我們將程式的結構設計為可以併發執行的，那麼在支援並行的機器上，我們可以將程式並行地執行。因此，併發重點指的是程式的設計結構，而並行指的是程式執行的狀態。併發程式設計，是一種將一個程式分解成小片段獨立執行的程式設計方法。

2.併發的基本方式途徑

多執行緒與多程序是併發的兩種途徑。
想象兩個場景：

• 場景一：你和小夥伴要開發一個專案，但小夥伴們放寒假都回家了，你們只能通過QQ聊天、手機通話、傳送思維導圖等方式來進行交流，總之你們無法很方便地進行溝通。好處是你們各自工作時可以互不打擾。
• 場景二：你和小夥伴放假都呆在學校實驗室中開發專案，你們可以聚在一起使用頭腦風暴，可以使用白板進行觀點的闡述，總之你們溝通變得更方便有效了。有點遺憾的是你在思考時可能有小夥伴過來問你問題，你受到了打擾。

這兩個場景描繪了併發的兩種基本途徑。每個小夥伴代表一個執行緒，工作地點代表一個處理器。場景一中每個小夥伴是一個單執行緒的程序，他們擁有獨立的處理器，多個程序同時執行；場景二中只有一個處理器，所有小夥伴都是屬於同一程序的執行緒。

2.1 多程序併發

多個程序獨立地執行，它們之間通過程序間常規的通訊渠道傳遞訊息（訊號，套接字，檔案，管道等），這種程序間通訊不是設定複雜就是速度慢，這是因為為了避免一個程序去修改另一個程序，作業系統在程序間提供了一定的保護措施，當然，這也使得編寫安全的併發程式碼更容易。
執行多個程序也需要固定的開銷：程序的啟動時間，程序管理的資源消耗。

2.2 多執行緒併發

在當個程序中執行多個執行緒也可以併發。執行緒就像輕量級的程序，每個執行緒相互獨立執行，但它們共享地址空間，所有執行緒訪問到的大部分資料如指標、物件引用或其他資料可以線上程之間進行傳遞，它們都可以訪問全域性變數。程序之間通常共享記憶體，但這種共享通常難以建立且難以管理，缺少執行緒間資料的保護。因此，在多執行緒程式設計中，我們必須確保每個執行緒鎖訪問到的資料是一致的。

3. C++中的併發與多執行緒

C++標準並沒有提供對多程序併發的原生支援，所以C++的多程序併發要靠其他API——這需要依賴相關平臺。
C++11 標準提供了一個新的執行緒庫，內容包括了管理執行緒、保護共享資料、執行緒間的同步操作、低階原子操作等各種類。標準極大地提高了程式的可移植性，以前的多執行緒依賴於具體的平臺，而現在有了統一的介面進行實現。

C++11 新標準中引入了幾個標頭檔案來支援多執行緒程式設計：

• < thread > :包含std::thread類以及std::this_thread名稱空間。管理執行緒的函式和類在 中宣告.
• < atomic > :包含std::atomic和std::atomic_flag類，以及一套C風格的原子型別和與C相容的原子操作的函式。
• < mutex > :包含了與互斥量相關的類以及其他型別和函式
• < future > :包含兩個Provider類（std::promise和std::package_task）和兩個Future類（std::future和std::shared_future）以及相關的型別和函式。
• < condition_variable > :包含與條件變數相關的類，包括std::condition_variable和std::condition_variable_any。

3.1 初試多執行緒

我們從一個hello開始。在單執行緒時：

1 # include<iostream>
2 using namespace std;
3 int main()
4 {
5     cout<<"hello world"<<endl;
6 }

在這裡，進行由一個執行緒組成，該執行緒的初始函式是main。我們啟動第二個執行緒來列印hello world：

 1 # include<iostream>
 2 # include<thread>
 3 using namespace std;
 4 void hello()
 5 {
 6     cout<<"hello world"<<endl;
 7 }
 8 int main()
 9 {
10     thread t (hello);
11     t.join();
12 }

在這裡，我們將列印hello world的語句放在函式hello中。每個執行緒都必須有一個初始函式，新執行緒的執行開始於初始函式。對於第一段程式來說，它的初始函式是main，對於我們新建立的執行緒，可以在std::thread()物件的建構函式中指定。
在第二段程式裡，程式由兩個執行緒組成：初始執行緒始於main，新執行緒始於hello。這裡將新執行緒t的初始函式指定為hello。
新執行緒啟動之後會與初始程序一併執行，初始執行緒可以等待或不等待新程序的執行結束——如果需要等待執行緒，則新執行緒例項需要使用join(),否則可以使用detach()。如果不等待新執行緒，則初始執行緒自顧自地執行到main()結束。
關於< thread > 我們將在下一篇中進行詳解。
由於我們的初始執行緒並沒有做什麼事情，啟動新執行緒後，新執行緒將打印出hello world。

這就是我們編寫出的第一個多執行緒的程式，一般來說並不值得為了如此簡單的任務而使用多執行緒，尤其是在這期間初始執行緒並沒做什麼。

在下一篇文章裡，我們將繼續探索< thread >標頭檔案的內容，編寫更復雜的併發程式。