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并发并行及其使用原因

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路线图

• 前4章，介绍了标准库中的各种工具，展示使用方法。
• 第5章，涵盖了内存模型和原子操作，包括原子操作如何对执行顺序进行限制(这章标志着介绍部分的结束)。
• 第6、7章，开始讨论高级主题，如何使用基本工具去构建复杂的数据结构——第6章是基于锁的数据结构，第 7章是无锁数据结构。
• 第8章，针对设计多线程代码给了一些指导意见，覆盖了性能问题和并行算法。
• 第9章，线程管理——线程池，工作队列和中断操作。
• 第10章，介绍C++17中标准库算法对并行性的支持。
• 第11章，测试和调试——Bug类型，定位Bug的技巧，以及如何进行测试等等。
• 附录，包括新标准中语言特性的简要描述，主要是与多线程相关的特性，以及在第4章中提到的消息传递库的实现细节和C++17线程库的完整的参考。

并发与并行

并发：指两个或两个以上的独立活动同时发生。

多处理器服务器很早就实现了并行计算。基于单芯多核处理器(多核处理器)的台式机能够真正的并行多个任务，我们称其为”硬件并发“。

并发的两种方式：真正并行和任务切换。

即便是硬件并发的系统，也有比硬件“可并行最大任务数”还要多的任务需要执行，所以任务切换在这些情况下仍然适用。实际上，许多因素会使得任务分割不均或调度不规则。

无论应用是在单核处理器，还是多核处理器上运行，不论是任务切换，还是硬件并发，这里提到的技术、功 能和类都会涉及。如何使用并发，很大程度上取决于可用的硬件并发。

• 多进程并发
  • 优点：操作系统会对进程进行保护，更容易编写 安全的并发代码。
  • 缺点：运行多个进程的固定开销：需要时间启动进程，操作系统需要 资源来管理进程。
• 多线程并发
  • 共享地址空间（全局变量仍是全局的，指针、对象的引用或数据可在线程之间传递）。
  • 同一数据的内存地址在不同的进程中不相同，所以这种共享难以建立和管理。
  • 缺少线程间的数据保护，使得操作系统记录的工作量减小。必须确保每个线程所访问 到的数据一致，这就需要对线程通信做大量的工作。
  • C++标准并未对进程通信提供原生支持，所以实现会依赖于平台相关的API。
  • 对线程的划分是基于概念上的设计，所以线程数不再依赖CPU核芯数。

并发与并行的区别：两个概念大部分是重叠，为了区别多线程中不同的关注点。

• “并行”更加注重性能。使用硬件提高数据处理速度时，会讨论程序的并行性。
• 关注重点在于任务分离或任务响应时，会讨论程序的并发性。

使用与不使用并发的原因

• 使用——分离关注点

  将相关的代码与无关的代码分离，可以使程序更容易理解和测试，从而减少出错的可能。不显式地使用并发，就得编写一个任务切换机制，或者在操作中主动地调用一段不相关代码。

• 使用——性能

  并发利用方式：

  • 一个单个任务分成几部分并行运行，从而降低总运行时间，这就是任务并行(task parallelism)。但是各个部分之间可能存在着依赖。
  • 每个线程在不同的数据块上执行相同的操作，称为数据并行(data parallelism)。

  容易并行的算法称为是“易并行的”(embarrassingly parallel)，直接直接硬件线程数量。

• 不使用——收益比不上成本

线程资源有限，启动与切换线程有额外开销。管线程池(参见第9章)可以用来限制线程的数量。

C++多线程支持

C语言中流行的多线程API——POSIX标准中的C标准和 Microsoft Windows API——很多C++编译器供应商，通过各种平台相关的扩展来支持多线程，也有MFX应用框架和BOOST和ACE通用库。

C++标准库也扩展了：管理线程(参 见第2章)、保护共享数据(参见第3章)、线程间同步操作(参见第4章)，以及原子操作(参见第5章)。

C++14中为并发和并行添加了一个新的互斥量类型，用于保护共享数据(参见第3章)。C++17考虑的更多：添加了一整套的并行算法(参见第10章)。

为了效率，C++整合了一些底层工具。这样就需要了解使用高级工具和 使用低级工具的开销差，这个开销差就是抽象代价(abstraction penalty)。

为了达到终极性能，需要给与硬件打交道的开发者提供足够多的底层工具。原子操作库，可直接控制单个位、字节、内部线程间的同步，以及对所有变化的可见性

在C++线程库中提供一个native_handle()的成员函数，允许通过使用平台相关API直接操作底层实现。

总结

从1998标准中完全缺乏支持，经历了各种平台相关的扩展，再到C++11/C++14/C++17标准和并发技术规范对多线程的支持。芯片制造商选择了以多核芯的形式，使得更多任务可以同时执行的方式来增加处 理能力，而不是增加单个核心的执行速度。在这个趋势下，C++多线程来的正是时候，它使得开发者们可以利用CPU带来的更加强大的硬件并发。