C++ 并发

并发是指系统能够在任何给定时间管理多个任务或进程，并允许它们在不等待彼此完成的情况下进行的能力。并发系统中的任务可以在执行中重叠，这最终有助于提高效率和资源利用率，尤其是在操作系统、数据库和 Web 服务器等环境中。

C++ 中的并发

在 C++ 中，并发帮助开发人员创建可以执行多个操作的应用程序，并有助于提高其效率和响应能力。并发可以通过多种方式发生，例如通过多线程、异步编程或分布式系统。

并发与并行

并发是指以重叠方式管理不同任务或处理器的能力，这意味着任务可以在不同的时间启动、执行和完成。这意味着任务可能不会同时运行，但它们的执行可以在时间上重叠，从而有效利用可用资源。

而并行是并发的子类别，其中任务实际上是在不同的处理器或核心上并发执行以提高性能。

并发处理结构和任务管理，而并行则专注于同时执行以加快计算速度。

线程

线程表示进程内最小的执行单元，它允许多个任务独立并发运行。<thread>库用于创建和管理线程。线程并行运行并共享相同的内存空间。

示例

以下是 C++ 中线程的一个简单示例：

#include <iostream>
#include <thread>

void hello() {
   std::cout << "Hello Learner!" << std::endl;
}

int main() {
   std::thread t(hello);
   t.join();  // Wait for the thread to finish
   return 0;
}

输出

Hello Learner!

C++ 中的线程同步

C++ 中的线程同步是一种机制，它管理多个线程对共享资源的访问，以防止数据竞争、不一致和未定义的行为。它确保一次只有一个线程可以访问资源，或者特定操作按特定顺序执行，尤其是在多个线程并发执行时。

C++ 中线程同步的关键方法

以下是 C++ 中线程同步的一些关键方法：

互斥量（<mutex> 库）

互斥量（互斥）是一种锁定机制，它限制对共享资源的访问，以便一次只有一个线程可以访问它。如果一个线程锁定了互斥量，则尝试锁定相同互斥量的其他线程将被阻塞，直到互斥量被解锁。

std::lock_guard 和 std::unique_lock

std::lock_guard 是一个基本的自动锁管理器，它在创建时锁定互斥量，并在超出范围时解锁它。

std::unique_lock 更加灵活，允许手动解锁和重新锁定。

条件变量（<condition_variable> 库）

它使线程能够等待直到满足某些条件，这有助于线程之间的通信。

std::condition_variable 通常与 std::unique_lock<std::mutex> 一起使用，并提供 wait()、notify_one() 和 notify_all() 函数，用于根据特定条件阻塞和恢复线程。

原子变量（<atomic> 库）

原子操作是另一种在不使用互斥量的情况下确保线程安全的方法。

原子变量保证任何读-修改-写操作都在没有其他线程干扰的情况下完成，这对于整数或布尔值等简单数据类型很有用。

原子操作包括 fetch_add、load、store 和 compare_exchange。

信号量

信号量是一种同步原语，它在并发系统（如多线程或多进程环境）中管理对共享资源的访问。信号量本质上是一个整数，它控制对资源的访问。它基于两个主要操作：

等待（P 或获取）：减少信号量值。
信号（V 或释放）：增加信号量值。

C++ 中的异步执行

在 C++ 中，std::future 和 std::promise 是用于异步编程的机制，它们有助于管理数据或在线程之间进行结果通信，允许一个线程提供结果（通过 std::promise）而另一个线程检索它（通过 std::future）。这些是 C++11 标准的一部分，可以在 <future> 头文件中找到。

异步编程的关键组件

std::future - 它表示异步操作的未来结果。一个线程可以在结果可用时从 future 中检索结果，如果结果未准备好，std::future::get() - 函数将阻塞直到计算出值。
std::promise - 它用于设置稍后可以通过 std::future 检索的值或异常。
std::async - 它用于异步启动任务。它返回一个 std::future，该 future 可用于在任务完成后获取任务的结果。

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