C++ Concurrency in Action 2012.03

### C++并发编程知识点概述 #### 一、书籍简介与背景 《C++ Concurrency in Action》是一本针对C++11并发特性的实践指南，由Anthony Williams编写，Manning出版社于2012年3月出版。本书旨在帮助读者理解和掌握C++中的多线程编程技术，并提供了大量的示例代码和最佳实践。 #### 二、并发基础 ##### 2.1 并发概念 - **并发**：指多个任务同时进行的概念。 - **并行**：指多个任务同时执行的过程。 在C++11中引入了`<thread>`库，支持轻量级的多线程编程，使得并发编程变得更加简单和高效。 ##### 2.2 线程管理 - **创建线程**：通过`std::thread`类来创建线程。 - **线程同步**：包括线程之间的同步机制，如`std::mutex`互斥锁、`std::condition_variable`条件变量等。 - **线程控制**：涉及线程的启动、停止、挂起和恢复等操作。 #### 三、数据共享 ##### 3.1 数据共享原则 - **共享内存**：多个线程可以访问同一块内存区域。 - **原子操作**：保证操作的不可分割性，防止数据竞争。 - **内存模型**：C++11定义了一套内存模型来确保线程安全的数据访问。 ##### 3.2 原子类型 - `std::atomic<T>`：提供了一个原子类型模板，用于实现线程安全的操作。 - 原子操作包括读取、写入、比较交换等基本操作。 #### 四、线程间同步 ##### 4.1 同步机制 - **互斥锁**：`std::mutex`是C++11提供的基本互斥锁类型。 - **条件变量**：`std::condition_variable`用于线程间的信号传递。 - **读写锁**：`std::shared_mutex`支持多个读线程共享资源的同时只允许一个写线程访问。 #### 五、内存模型与原子类型操作 ##### 5.1 内存模型 - C++11引入了一种统一的内存模型，它定义了线程之间如何一致地访问共享内存。 - 记载顺序（happens-before）关系，用来表示不同线程操作之间的顺序关系。 ##### 5.2 原子类型操作 - 原子类型的使用不仅限于简单的整型数据，还包括指针类型和其他复杂类型。 - 原子操作可以通过设置不同的内存序（memory order）来优化性能或增强安全性。 #### 六、基于锁的并发数据结构设计 ##### 6.1 锁的使用策略 - **粗粒度锁**：一次锁定整个数据结构。 - **细粒度锁**：仅锁定数据结构的一部分。 ##### 6.2 常见并发数据结构 - **线程安全队列**：通过使用锁或其他同步机制来实现线程安全。 - **线程安全栈**：同样需要考虑并发访问时的数据一致性问题。 #### 七、无锁并发数据结构设计 ##### 7.1 无锁编程原理 - **非阻塞算法**：不依赖于锁来实现线程安全。 - **CAS操作**：比较并交换操作，是无锁编程的基础。 ##### 7.2 无锁数据结构 - **无锁队列**：通过原子操作实现线程安全。 - **无锁栈**：利用原子类型和循环重试策略来避免死锁。 #### 八、并发代码设计 ##### 8.1 设计模式 - **生产者消费者模式**：通过缓冲区实现生产者和消费者的解耦。 - **工作窃取模式**：动态平衡负载，提高多核系统的利用率。 ##### 8.2 并发框架 - **std::future**和`std::promise`：提供异步任务处理机制。 - **std::async**：简化异步函数调用。 #### 九、高级线程管理 ##### 9.1 线程池 - **固定大小线程池**：预先创建一定数量的线程，等待任务执行。 - **动态线程池**：根据任务需求动态调整线程数量。 ##### 9.2 高级同步机制 - **屏障**：一种特殊的同步机制，当所有线程到达指定点后才能继续前进。 - **屏障同步器**：为屏障同步提供实现细节。 #### 十、测试与调试 ##### 10.1 测试方法 - **单元测试**：对每个模块单独进行测试。 - **集成测试**：测试不同模块之间的交互。 ##### 10.2 调试技巧 - **日志记录**：记录程序运行过程中的关键信息。 - **断言检查**：在开发过程中使用断言来验证假设是否正确。 以上是对《C++ Concurrency in Action》书籍中涉及的主要知识点进行了总结和扩展。通过对这些内容的学习，开发者可以更好地理解并运用C++11及其后续版本中的并发特性，从而编写出更高效、更可靠的多线程应用程序。