C++多线程初探

C++ 多线程初探

什么是并发？

并发是指两个或多个独立活动在同一时间段内交替或同时发生。生活中常见的例子包括：一边走路一边说话、多人各自完成不同任务等。

计算机中的并发

在计算机系统中，并发指的是在同一个系统上同时运行多个任务。传统的单核处理器通过“任务切换”模拟出并发的效果；而现代多核处理器实现了真正的并行执行。

真并行 vs. 任务切换

• 真并行：多核处理器可同时处理多个任务。
• 任务切换：单核处理器通过频繁切换任务来模拟并行效果，但存在上下文切换的性能开销。

并发的实现方式

多进程并发

每个进程独立运行，拥有独立的地址空间。进程间通信（IPC）成本较高，但更安全可靠，适合大型分布式系统。

多线程并发

在一个进程中运行多个线程，共享同一内存空间。线程之间通信更高效，但需手动保证线程安全，编程难度较大。

并发与并行的区别

• 并发（Concurrency）：注重任务的逻辑独立性和响应能力。
• 并行（Parallelism）：强调任务的同时执行，提高整体吞吐量与性能。

为什么使用并发？

使用并发有两个主要目的：

分离关注点（Separation of Concerns）

通过将不同功能模块放入不同线程（如 GUI 与后台任务），可以提升代码的可读性和响应性。例如，一个视频播放程序可以使用一个线程处理解码播放，另一个线程响应用户操作。

提升性能

多核处理器时代，只有并发程序才能发挥出硬件的全部潜力。

• 任务并行：不同线程处理算法的不同部分。
• 数据并行：多个线程处理同样操作但作用于不同数据。
• 提升吞吐：在单位时间内处理更多数据。

何时不使用并发？

当并发带来的收益小于其成本（调试难度、资源消耗、维护复杂性）时，不应使用并发。例如：

• 任务太短，线程启动/切换成本高；
• 系统资源（内存、栈空间）有限；
• 存在线程竞争或过度上下文切换。

C++ 与多线程：历史与演进

C++98 时代

没有对线程的标准支持，也没有定义内存模型。开发者只能依赖平台特定的 API，如 POSIX、Windows API 等。

第三方库支持

为简化线程编程，出现了诸如 Boost.Thread、ACE、MFC 等库。这些库在一定程度上提供了抽象，但缺乏统一标准，移植性差。

C++11 的重大变革

C++11 引入了：

• 内存模型；
• <thread> 线程库；
• 互斥量、条件变量、原子类型等核心工具。

此后，C++14 增加新的同步原语，C++17 更是引入了并行算法库（如 std::for_each(std::execution::par, ...)），极大提升了编写并发程序的能力与便捷性。

效率与可移植性

• C++ 标准库线程功能设计时尽量保证低抽象代价（即高级 API 性能不逊于底层 API）。
• 对性能敏感场景可使用原子类型或平台原生 API（通过 native_handle() 获取底层句柄）。
• 正确设计优于“死抠优化”。

C++ 并发程序入门示例

一个最简单的并发程序示例如下：

#include <iostream>
#include <thread>

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

int main() {
    std::thread t(hello); // 创建新线程执行 hello()
    t.join();             // 等待新线程执行完成
}

对比传统的 Hello World：

#include <iostream>

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

上面使用 std::thread 启动了一个线程来执行 hello() 函数。虽然此例简单，但它演示了 C++11 如何便捷地创建一个线程。

总结

• 并发指多个任务在同一时间段执行，可能是交替也可能是同时；
• 多线程是实现并发的主要方式，比多进程通信效率高但更容易出错；
• 使用并发需权衡：分离关注点或提升性能 vs. 增加的复杂性与资源开销；
• C++11 起，C++ 标准库对并发支持全面发展；
• 使用 std::thread 创建线程非常简单，但设计良好的并发程序远比启动线程复杂。