C++多线程学习之（一）——并发与多线程

1 并发

计算机领域的并发指的是在单个系统里同时执行多个独立的任务，而非顺序地进行一些活动。

1.1 并发的途径

多进程并发：将应用程序分为多个独立的进程，它们在同一时刻运行，就像同时进行网页浏览和文字处理一样。独立的进程可以通过进程间常规的通信渠道传递讯息。

• 缺点：操作系统会在进程间提供了一定的保护措施，以避免一个进程去修改另一个进程的数据。这导致进程之间的通信通常不是设置复杂，就是速度慢；

　　　　　　运行多个进程需要时间启动进程，操作系统需要内部资源来管理进程。

• 优点：操作系统在进程间提供附加的保护操作和更高级别的通信机制，意味着可以更容易编写安全的并发代码；

　　　　　　可以使用远程连接的方式，在不同的机器上运行独立的进程。

多线程并发：并发的另一个途径是在单个进程中运行多个线程。线程类似于轻量级的进程，每个线程相互独立运行，且线程可以在不同的指令序列中运行。

• 缺点：缺少线程间的数据保护，如果数据要被多个线程访问，我们必须确保每个线程所访问的的数据是一致的，因此需要对线程通信做大量的工作。
• 优点：进程中所有线程共享地址空间，并且缺少数据保护，使得操作系统的记录工作量减小，所以使用多线程的相关开销远远小于使用多个进程；单一进程中的多线程间的通信开销较小。

1.2 利用并发提高性能的方式

• 任务并行（易并行）：将一个单个任务分成几部分，并且各自并行运行，从而降低总运行时间。此种方法具有良好的可扩展性，当可用硬件线程的数量增加时，算法的并行性也随之增加。当可用硬件线程的数量增加时，算法的并行性也会随之增加。如果算法中有不易并行的部分，你可以把算法划分成固定（不可扩展）数量的并行任务。
• 数据并行（可并行）：每个线程在不同的数据部分上执行相同的操作。处理一个数据块仍然需要同样的时间，但在相同的时间内处理了更多的数据。这种方法所带来的吞吐量提升，可以让某些新功能成为可能。

2 多线程示例

经典的例子：打印出Hello World。

单线程中运行Hello World程序：

 #include <iostream>
 int main()
 {
     std::cout << "Hello World!" << std::endl;
 } 

利用多线程，启动一个独立的线程显示Hello World：

 #include <iostream>
 #include <thread>
 void hello()
 {
     std::cout << "Hello World!" << std::endl;
 }

 int main()
 {
     std::thread t(hello);
     t.join();
 }

比较两个程序，可以看出一些差别：首先，增加了头文件 #include <thread> ，标准C++库中对多线程支持的声明在新的头文件中，管理线程的函数和类在 <thread> 中声明，而保护共享数据的函数和类在其它头文件中声明。其次，打印信息的代码被移动到了一个独立的函数中。因为每个线程都必须具有一个初始函数，新线程的执行从这里开始。对于应用程序而言，初始线程是 main() ,但是对于其它线程，可以在 std::thread 对象的构造函数中指定。除此之外，与直接写入标准输出或是从 main() 调用 hello() 不同，该程序启动了一个全新的线程来实现，将线程数量一分为二——初始线程始于 main()，而新线程始于 hello()。新的线程启动之后，初始线程继续执行，如果它不等新线程结束，它就将自顾自地继续运行到 main()的结束，从而结束程序，有可能发生在新线程运行之前。

本示例仅仅为了将一条信息写入标准输出而做了大量的工作，一般来说并不值得为了如此简单的任务而使用多线程，尤其是在此期间初始线程并没做什么。因为操作系统需要分配内核相关资源和堆栈空间，所以在启动线程时存在固有的开销，然后才能把新线程加入调度器中，所有这一切都需要时间。如果在线程上的任务完成得很快，那么任务实际执行的时间要比启动线程的时间小很多，这就会导致应用程序的整体性能还不如直接使用“产生线程”的方式。