[C++并发编程] 1. 并发编程入门

轻舞飞扬SR

发布于 2021-02-24 10:59:34

4570

发布于 2021-02-24 10:59:34

文章被收录于专栏：Visual Codex

本系列记录学习C++并发编程过程中的一些归纳总结的笔记。

并发编程

对并发编程最简单地说明就是CPU同时处理两个或更多独立的任务。

那么我们为什么需要并发编程呢？举个简单的例子，如果你想开发一个界面应用程序，这个程序需要若干个存有100万个数据的CSV文件进行处理，然后将处理完的数据写入到另外的文件，那么这个程序的任务就可以分为三个小部分：导入CSV文件，处理数据，写出数据，界面显示进度（导入/写出），如果不使用并发，那么需要先等所有的CSV文件导入后，然后处理数据，再处理数据的同时更新数据处理的进度，然后处理下一个数据之前需要等待当前数据写入到文件，这样的话，在处理一个任务的时候，另外的任务会处于“僵死”的状态。比如处理数据的时候，界面上的按钮将无法使用，点击界面上控件的时候，数据将无法被处理。

如果使用并发编程，那这些问题将得到解决，读取CSV文件，处理数据，处理页面响应，写出到文件都可以单独进行，这样既处理好了任务，与用户的实时交互也变得友好了。

那么，开始并发之前，有两个概念需要搞清楚，即“多处理器”和“多核”。多处理器是指在一台电脑上存在有多个物理CPU，这样的配置即使是现在也基本上只会在服务器上使用；而多核，也可以说多核处理器，是指只有一个物理CPU，但是在这个CPU中做了多个核心，每个核心就相当于一个个的小CPU，这样的多核心CPU普遍存在于我们现在的普通家用计算机中，可以在计算机的设备管理器中查看自己的电脑是几核的计算机。

或者也可以在程序中进行查看

#include <iostream>
#include <thread>

int main()
{
    std::thread t();
    std::cout << t.hardware_concurrency() << std::endl;
    t.join();
	return 0;
}
// 程序会打印出 8 ，意味着运行该程序的计算机搭载的是8核CPU。

在多处理器机中，每个处理器处理着不同的任务，不互相干扰，可以实现真正意义上的并发，但是在早期的单处理器时代，只有一个单核CPU，实现的并发只是表面上看起来并发，实际上，要执行的每个任务都被分配了细微到人感受不到的微小时间片，反过来说，在每个时间片，执行的任务可能是不同的，相邻的两个时间片的任务不同时，则中间还会存在一定的任务切换时间。

上图中绿色和红色分别代表一项任务，如果这两项任务由一个双核处理器来完成的话，那么可以每一个核心处理一个任务，互补干扰；如果是一个单核处理器来完成的话，那么为了能使两个任务“同时”进行，则需要将时间分成很小的片，每个时间片交替处理两个任务，在单核处理器处理过程中还存在灰色的小时间片，这是在两个任务之间切换（task switching）所花的时间。

多进程与多线程

讲并发，一般会想到两种，一种是多进程并发，一种是多线程并发。

首先，什么是进程？我们自己写的可以运行的代码，保存在电脑的硬盘上，叫做程序，但是，一旦一个可执行的程序跑起来了，那么这段代码就叫做一个进程，简单说，进程就是在计算机上运行起来的代码。比如说IE浏览器，Word文档等，这就是不同的进程，但是它们可以同时运行，这就是多进程，进程与进程之间可以通过多种方法传递信息，如信号，socket，文件，管道等，这就是进程间通信。

线程是一种比进程更小一级的单位，可以理解为进程中的一个个子任务，一个进程可以包含多个线程，每个线程也是独立运行的，但是与多进程不同的是，线程与线程之间共享地址空间，且所有线程能访问到大部分数据。

多线程相比起多进程，共享地址空间，在切换任务的时候，多线程花费更少的时间成本，操作系统开销更小，但是由于数据指令共享地址空间，也会带来复杂度提高的缺点，处理更加的复杂。

接下来我主要针对多线程并发进行了学习，多进程学习以后再在别的博客里再写。

Hello World

一个简单的C++多线程程序

#include <iostream>
#include <thread>

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

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

上面的程序与普通的C++ Hello World 程序不同的地方在于

头文件添加了 <thread> 头文件，<thread> 头文件包含了 thread类的定义和相应成员函数的定义，如 join(), get_id()等，因此在程序中可以使用 std::thread 来定义线程类。
使用std::thread 来定义线程类，定义线程类的时候，可以附带参数，这个例子中的参数 helloworld 为线程起始函数（initial function），既线程启动时，需要从哪个函数开始执行。