正文

C++11標準在標準庫中為多線程提供了組件，這意味著使用C++編寫與平臺無關的多線程程序成為可能，而C++程序的可移植性也得到了有力的保證。另外，並發編程可提高應用的性能，這對對性能錙銖必較的C++程序員來說是值得關註的。

1. 何為並發

並發指的是兩個或多個獨立的活動在同一時段內發生。生活中並發的例子並不少，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並發地處理這些事件，只不過我們大腦的處理是有次重點的：有時候你會更關註你呼吸的頻率，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並發設計的結構。這種次重點在計算機程序設計中，體現為某一個時刻只能處理一個操作

與並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。判斷一個程序是否並行執行，只需要看某個時刻上是否多兩個或以上的工作單位在運行。一個程序如果是單線程的，那麽它無法並行地運行。利用多線程與多進程可以使得計算機並行地處理程序（當然 ，前提是該計算機有多個處理核心）。

• 並發：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並發設計的結構。兩個安檢隊列隊首的人競爭這一個安檢窗口，兩個隊列可能約定交替著進行安檢，也可能是大家同時競爭安檢窗口（通信）。後一種方式可能引起沖突：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。在這裏，每個隊列都有自己的安檢窗口，兩個隊列中間沒有競爭關系，隊列中的某個排隊者只需等待隊列前面的人安檢完成，然後再輪到自己安檢。在物理上，安檢窗口同時處理這兩個隊列。

並發的程序設計，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。如果我們將程序的結構設計為可以並發執行的，那麽在支持並行的機器上，我們可以將程序並行地執行。因此，並發重點指的是程序的設計結構，而並行指的是程序運行的狀態。並發編程，是一種將一個程序分解成小片段獨立執行的程序設計方法。

2.並發的基本方式途徑

多線程與多進程是並發的兩種途徑。
想象兩個場景：

• 場景一：你和小夥伴要開發一個項目，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、發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項目，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。

這兩個場景描繪了並發的兩種基本途徑。每個小夥伴代表一個線程，工作地點代表一個處理器。場景一中每個小夥伴是一個單線程的進程，他們擁有獨立的處理器，多個進程同時執行；場景二中只有一個處理器，所有小夥伴都是屬於同一進程的線程。

2.1 多進程並發

多個進程獨立地運行，它們之間通過進程間常規的通信渠道傳遞訊息（信號，套接字，文件，管道等），這種進程間通信不是設置復雜就是速度慢，這是因為為了避免一個進程去修改另一個進程，操作系統在進程間提供了一定的保護措施，當然，這也使得編寫安全的並發代碼更容易。
運行多個進程也需要固定的開銷：進程的啟動時間，進程管理的資源消耗。

2.2 多線程並發

在當個進程中運行多個線程也可以並發。線程就像輕量級的進程，每個線程相互獨立運行，但它們共享地址空間，所有線程訪問到的大部分數據如指針、對象引用或其他數據可以在線程之間進行傳遞，它們都可以訪問全局變量。進程之間通常共享內存，但這種共享通常難以建立且難以管理，缺少線程間數據的保護。因此，在多線程編程中，我們必須確保每個線程鎖訪問到的數據是一致的。

3. C++中的並發與多線程

C++標準並沒有提供對多進程並發的原生支持，所以C++的多進程並發要靠其他API——這需要依賴相關平臺。
C++11 標準提供了一個新的線程庫，內容包括了管理線程、保護共享數據、線程間的同步操作、低級原子操作等各種類。標準極大地提高了程序的可移植性，以前的多線程依賴於具體的平臺，而現在有了統一的接口進行實現。

C++11 新標準中引入了幾個頭文件來支持多線程編程：

• < thread > :包含std::thread類以及std::this_thread命名空間。管理線程的函數和類在 中聲明.
• < atomic > :包含std::atomic和std::atomic_flag類，以及一套C風格的原子類型和與C兼容的原子操作的函數。
• < mutex > :包含了與互斥量相關的類以及其他類型和函數
• < future > :包含兩個Provider類（std::promise和std::package_task）和兩個Future類（std::future和std::shared_future）以及相關的類型和函數。
• < condition_variable > :包含與條件變量相關的類，包括std::condition_variable和std::condition_variable_any。

3.1 初試多線程

我們從一個hello開始。在單線程時：

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

在這裏，進行由一個線程組成，該線程的初始函數是main。我們啟動第二個線程來打印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 }

在這裏，我們將打印hello world的語句放在函數hello中。每個線程都必須有一個初始函數，新線程的執行開始於初始函數。對於第一段程序來說，它的初始函數是main，對於我們新創建的線程，可以在std::thread()對象的構造函數中指定。
在第二段程序裏，程序由兩個線程組成：初始線程始於main，新線程始於hello。這裏將新線程t的初始函數指定為hello。
新線程啟動之後會與初始進程一並運行，初始線程可以等待或不等待新進程的運行結束——如果需要等待線程，則新線程實例需要使用join(),否則可以使用detach()。如果不等待新線程，則初始線程自顧自地運行到main()結束。
關於< thread > 我們將在下一篇中進行詳解。
由於我們的初始線程並沒有做什麽事情，啟動新線程後，新線程將打印出hello world。

這就是我們編寫出的第一個多線程的程序，一般來說並不值得為了如此簡單的任務而使用多線程，尤其是在這期間初始線程並沒做什麽。

在下一篇文章裏，我們將繼續探索< thread >頭文件的內容，編寫更復雜的並發程序。

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c++並發編程基礎（一）：並發、並行域多線程