C++ 多線程編程建議之 C++ 對多線程/並發的支持（下）
前言：
本文承接前文 C++ 對多線程/並發的支持（上） ，翻譯自 C++ 之父 Bjarne Stroustrup 的 C++ 之旅（A Tour of C++）一書的第 13 章 Concurrency。本文將繼續介紹 C++ 並發中的 future/promise，packaged_task 以及 async() 的用法。
1、通信任務
標準庫還在頭文件 <future> 中提供瞭一些機制，能夠讓編程人員基於更高的抽象層次任務來開發，而不是直接使用低層的線程、鎖：
future和promise：用於從任務（另一個線程）中返回一個值packaged_task：幫助啟動任務，封裝瞭future和promise，並且建立兩者之間的關聯async()：像調用一個函數那樣啟動一個任務。形式最簡單，但也最強大！
1.1 future 和 promise
future 和 promise 可以在兩個任務之間傳值，而無需顯式地使用鎖，實現瞭高效地數據傳輸。其基本想法很簡單：當一個任務向另一個任務傳值時，把值放入 promise，通過特定的實現，使得值可以通過與之關聯的 future 讀出（一般誰啟動瞭任務，誰從 future 中取結果）。
假如有一個 future<X> 叫 fx，我們可以通過 get() 獲取類型 X 的值：
X v = fx.get(); // if necessary, wait for the value to get computed
如果值還沒有計算出，則調用 get() 的線程阻塞，直到有值返回。如果值無法計算出，get()可能拋出異常。
promise 的主要目的是提供一個簡單的“put”的操作（set_value 或 set_exception），和 future 的 get() 相呼應。
如果你有一個 promise，需要發送一個類型為 X 的結果到一個 future，你要麼傳遞一個值，要麼傳遞一個異常。舉個例子：
void f(promise<X>& px) // 一個任務：把結果放入 px
{
try {
X res;
// 計算 res 的值
px.set_value(res);
}
catch(...) { // 如果無法計算 res 的值
px.set_exception(current_exception()); // 傳異常到 future 的線程
}
}
current_exception() 即捕獲到的異常。
要處理通過 future 傳遞的異常，get() 的調用者必須在什麼地方捕獲，例如：
void g(future<X>& fx) // 一個任務；從 fx 提取結果
{
try {
X v = fx.get(); // 如有必要，等待值計算完成
// 使用 v
}
catch(...){ // 無法計算 v
// 錯誤處理
}
}
如果 g() 不需要自己處理錯誤，代碼可以進一步簡化：
void g(future<X>& fx) // 一個任務；從 fx 提取結果
{
X v = fx.get(); // 如有必要，等待值計算完成
// 使用 v
}
思考：future 和 promise 是怎麼關聯起來的？
1.2 packaged_task
如何把 future 放入一個需要結果的任務，並且把與之關聯的、產生結果的 promise 放入線程？packaged_task 可以簡化任務的設置，關聯 future/promise。packaged_task 封裝瞭把返回值或異常放入 promise 的操作，並且調用 packaged_task 的 get_future() 方法，可以得到一個與 promise 關聯的 future。舉個例子，我們可以設置兩個任務，借助標準庫的 accumulate() 分別累加 vector<double> 的前後部分：
double accum (double* beg, double* end, double init) // 計算以 init 為初值，[beg,end) 的和
{
return accumulate(beg,end,init);
}
double comp2(vector<double>& v)
{
using Task_type = double(double*,double*,double); // 任務的類型
packaged_task<Task_type> pt0 {accum}; // 打包任務（即 accum）
packaged_task<Task_type> pt1 {accum};
future<double> f0 {pt0.get_future()}; // 取得 pt0 的 future
future<double> f1 {pt1.get_future()}; // 取得 pt1 的 future
double* first = &v[0];
thread t1{move(pt0),first,first+v.size()/2,0}; // 為 pt0 啟動線程
thread t2{move(pt1),first+v.size()/2,first+v.size(),0}; // 為 pt1 啟動線程
return f0.get() + f1.get();
}
packaged_task 模板以任務的類型（Task_type，double(double*,double*,double) 的別名）作為其模板參數，以任務（accum）作為其構造函數的參數。move() 操作是必要的，因為 packaged_task 不可拷貝（隻能移動）。packaged_task 不可拷貝是因為它是一個資源處理程序（resource handler），擁有 promise 的所有權，並且（間接地）負責與之關聯的任務可能擁有的資源。
請註意，這裡的代碼沒有顯式地使用鎖：我們能夠專註於要完成的任務，而不是來管理它們通信的機制。這兩個任務在不同的線程中執行，具有瞭潛在的並發性。
1.3 async()
我在本章所追求的思路，最簡單，但也非常強大：把任務看成是一個恰巧可能和其他任務同時運行的函數。這並不是 C++ 標準庫所支持的唯一模型，但它能很好地滿足各類廣泛的需求。其他更微妙、棘手的模型，如依賴於共享內存的編程風格也可以根據實際需要使用。
要啟動潛在異步執行的任務，我們可以用 async()：
double comp4(vector<double>& v) // 如果 v 足夠大，派生多個任務
{
if(v.size()<10000) // 犯得著用並發嗎？
return accum(v.begin(),v.end(),0);
auto v0 = &v[0];
auto sz = v.size();
auto f0 = async(accum,v0,v0+sz/4,0.0);
auto f1 = async(accum,v0+sz/4,v0+sz/2,0.0);
auto f2 = async(accum,v0+sz/2,v0+sz*3/4,0.0);
auto f3 = async(accum,v0+sz*3/4,v0+sz,0.0);
return f0.get()+f1.get()+f2.get()+f3.get(); // 收集 4 部分的結果，求和
}
大體上，async() 把“調用部分”和“獲取結果部分“分離開來，並且將兩者和實際執行的任務分離。使用 async() 你不需要考慮線程、鎖；你隻要從任務（潛在地、異步地計算結果）的角度去考慮就可以瞭。async() 也有明顯的限制：使用瞭共享資源、需要上鎖的任務無法使用 async() ，你甚至不知道會用到多少線程，這完全是由 async() 決定的，它會根據調用時系統可用資源的情況，決定使用多少線程。例如，async() 在決定使用幾個線程前，會檢查有多少核心（處理器）空閑。
示例代碼中的猜測計算開銷和啟動線程的相對開銷（v.size()<10000）隻是一個很原始、粗略的性能估計。這裡不適合展開討論怎麼去管理線程，但這個估計僅僅是一個簡單（可能很爛）的猜測。
請註意，async()不僅僅是專門用於並行計算、提高性能的機制。例如，它也能用於派生任務，從用戶獲取輸入，讓“主程序”忙其他事情。
2、建議
使用並發改善響應性和吞吐量
盡可能在最高級別的抽象上工作（比如優先考慮 async、packaged_task 而不是 thread、mutex）
考慮使用進程作為線程的替代方案
標準庫的並發支持是類型安全的
內存模型把多數程序員從考慮機器架構的工作中解放出來
內存模型使得內存的表現和我們的預期基本一致
原子操作為無鎖編程提供瞭可能性
把無鎖編程留給專傢
有時順序操作比起並發更簡單、更快
避免數據競爭（不受控地同時訪問可變數據）
std::thread 是類型安全的系統線程接口
用 join() 等待一個線程結束
盡量避免顯式共享數據
用 unique_lock 管理 mutexes
用 lock() 一次性獲取多個鎖
用 condition_variable 管理線程之間的通信
從（可以並行執行的）任務的角度思考，而非線程
不要低估“簡單性”的價值
選擇 packaged_task 和 future，而不是直接使用 thread 和 mutex
用 promise 返回結果，從 future 獲取結果
用 packaged_task 處理任務拋出的異常或返回值
用 packaged_task 和 future 來表示對外部服務的請求，以及等待其回復
用 async() 啟動簡單的任務
到此這篇關於 C++ 多線程編程建議之 C++ 對多線程/並發的支持的文章就介紹到這瞭,更多相關C++ 對多線程/並發的支持內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！
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