[C++併發編程] 1. 併發編程入門

本系列記錄學習C++併發編程過程中的一些歸納總結的筆記。

併發編程

對併發編程最簡單地說明就是CPU同時處理兩個或更多獨立的任務。

那麼我們爲什麼需要併發編程呢？舉個簡單的例子，如果你想開發一個界面應用程序，這個程序需要若干個存有100萬個數據的CSV文件進行處理，然後將處理完的數據寫入到另外的文件，那麼這個程序的任務就可以分爲三個小部分：導入CSV文件，處理數據，寫出數據，界面顯示進度（導入/寫出），如果不使用併發，那麼需要先等所有的CSV文件導入後，然後處理數據，再處理數據的同時更新數據處理的進度，然後處理下一個數據之前需要等待當前數據寫入到文件，這樣的話，在處理一個任務的時候，另外的任務會處於“僵死”的狀態。比如處理數據的時候，界面上的按鈕將無法使用，點擊界面上控件的時候，數據將無法被處理。

如果使用併發編程，那這些問題將得到解決，讀取CSV文件，處理數據，處理頁面響應，寫出到文件都可以單獨進行，這樣既處理好了任務，與用戶的實時交互也變得友好了。

那麼，開始併發之前，有兩個概念需要搞清楚，即“多處理器”和“多核”。多處理器是指在一臺電腦上存在有多個物理CPU，這樣的配置即使是現在也基本上只會在服務器上使用；而多核，也可以說多核處理器，是指只有一個物理CPU，但是在這個CPU中做了多個核心，每個核心就相當於一個個的小CPU，這樣的多核心CPU普遍存在於我們現在的普通家用計算機中，可以在計算機的設備管理器中查看自己的電腦是幾核的計算機。

或者也可以在程序中進行查看

#include <iostream>
#include <thread>

int main()
{
    std::thread t();
    std::cout << t.hardware_concurrency() << std::endl;
    t.join();
	return 0;
}
// 程序會打印出 8 ，意味着運行該程序的計算機搭載的是8核CPU。

在多處理器機中，每個處理器處理着不同的任務，不互相干擾，可以實現真正意義上的併發，但是在早期的單處理器時代，只有一個單核CPU，實現的併發只是表面上看起來併發，實際上，要執行的每個任務都被分配了細微到人感受不到的微小時間片，反過來說，在每個時間片，執行的任務可能是不同的，相鄰的兩個時間片的任務不同時，則中間還會存在一定的任務切換時間。

上圖中綠色和紅色分別代表一項任務，如果這兩項任務由一個雙核處理器來完成的話，那麼可以每一個核心處理一個任務，互補干擾；如果是一個單核處理器來完成的話，那麼爲了能使兩個任務“同時”進行，則需要將時間分成很小的片，每個時間片交替處理兩個任務，在單核處理器處理過程中還存在灰色的小時間片，這是在兩個任務之間切換（task switching）所花的時間。

多進程與多線程

講併發，一般會想到兩種，一種是多進程併發，一種是多線程併發。

首先，什麼是進程？我們自己寫的可以運行的代碼，保存在電腦的硬盤上，叫做程序，但是，一旦一個可執行的程序跑起來了，那麼這段代碼就叫做一個進程，簡單說，進程就是在計算機上運行起來的代碼。比如說IE瀏覽器，Word文檔等，這就是不同的進程，但是它們可以同時運行，這就是多進程，進程與進程之間可以通過多種方法傳遞信息，如信號，socket，文件，管道等，這就是進程間通信。

線程是一種比進程更小一級的單位，可以理解爲進程中的一個個子任務，一個進程可以包含多個線程，每個線程也是獨立運行的，但是與多進程不同的是，線程與線程之間共享地址空間，且所有線程能訪問到大部分數據。

多線程相比起多進程，共享地址空間，在切換任務的時候，多線程花費更少的時間成本，操作系統開銷更小，但是由於數據指令共享地址空間，也會帶來複雜度提高的缺點，處理更加的複雜。

接下來我主要針對多線程併發進行了學習，多進程學習以後再在別的博客裏再寫。

Hello World

一個簡單的C++多線程程序

#include <iostream>
#include <thread>

void helloworld()
{
    std::cout << "Hello World" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(helloworld);
    t.join();
    return 0;
}

上面的程序與普通的C++ Hello World 程序不同的地方在於

• 頭文件添加了 <thread> 頭文件，<thread> 頭文件包含了 thread類的定義和相應成員函數的定義，如 join(), get_id()等，因此在程序中可以使用 std::thread 來定義線程類。
• 使用std::thread 來定義線程類，定義線程類的時候，可以附帶參數，這個例子中的參數 helloworld 爲線程起始函數（initial function），既線程啓動時，需要從哪個函數開始執行。

其實，一個進程啓動時，會有一個主線程啓動（main thread），這個線程函數從程序開始自動生成，程序終止時自動消亡，所以main thread從main函數開始執行，即main函數爲主線程的起始函數。

• join()函數表示阻塞，阻塞的意思就是等待 t 線程執行完畢後，當前線程再繼續執行，所以當main函數中遇到t.join()這語句時，主線程暫停執行，等待 t 線程執行完畢，打印出 Hello World後，再繼續執行。

執行的流程圖如下

總結

多線程編程優點：

• 一個進程中的所有線程共享地址空間，全局變量，指針，引用都可以在線程之間傳遞，所以使用多線程開銷遠遠小於多進程。
• 比起多進程，多線程啓動速度更快，更輕量級。

不足的地方：

• 共享內存帶來數據一致性問題。