為什么使用并發(fā)

在應(yīng)用程序中使用并發(fā)的原因主要有兩個：關(guān)注點(diǎn)分離和性能。事實(shí)上，我甚至可以說它們差不多是使用并發(fā)的唯一原因；當(dāng)你觀察得足夠仔細(xì)時，一切其他因素都可以歸結(jié)到這兩者之一（或者可能是二者兼有，當(dāng)然，除了像“我愿意”這樣的原因之外）。

為了劃分關(guān)注點(diǎn)而使用并發(fā)

在編寫軟件時，劃分關(guān)注點(diǎn)總是個好主意。通過將相關(guān)的代碼放在一起并將無關(guān)的代碼分開，這種方法可以使你的程序更容易理解和測試，從而減少出錯的可能性。你可以使用并發(fā)來分隔不同的功能區(qū)域，即使在這些不同功能區(qū)域的操作需要在同一時刻發(fā)生的情況下。如果不顯式地使用并發(fā)，你要么被迫編寫任務(wù)切換框架，要么在操作中主動地調(diào)用不相關(guān)的一段代碼。

考慮一類帶有用戶界面的密集處理型應(yīng)用程序，例如為臺式計(jì)算機(jī)提供的DVD播放程序。這樣一個應(yīng)用程序基本上具備兩套職能：它不僅要從光盤中讀取數(shù)據(jù)，解碼圖像和聲音，并把它們及時輸出至視頻和音頻硬件，從而實(shí)現(xiàn)DVD的無錯播放；它還要接受來自用戶的輸入，例如當(dāng)用戶單擊暫停或返回菜單甚至退出按鍵的情況。在單個線程中，應(yīng)用程序須在回放期間定期檢查用戶的輸入，于是將DVD回放代碼和用戶界面代碼合在一起。通過使用多線程來分隔這些關(guān)注點(diǎn)，用戶界面代碼和DVD回放代碼不再需要如此緊密地交織在一起。一個線程可以處理用戶界面，另一個處理DVD回放，它們之間會有交互，例如用戶點(diǎn)擊暫停，但現(xiàn)在這些交互直接與眼前的任務(wù)有關(guān)。

這會帶來響應(yīng)性的錯覺，因?yàn)橛脩艚缑婢€程通常可以立即響應(yīng)用戶的請求，即使在請求被傳達(dá)給工作的線程，響應(yīng)為簡單地顯示正忙的光標(biāo)或請等待的消息的情況。類似地，獨(dú)立的線程常被用于運(yùn)行必須在后臺連續(xù)運(yùn)行的任務(wù)，例如在桌面搜索程序中監(jiān)視文件系統(tǒng)的變化。以這種方式使用線程一般會使每個線程的邏輯更加簡單，因?yàn)樗鼈冎g的交互可以被限制為清晰可辨的點(diǎn)，而不是到處散播不同任務(wù)的邏輯。

在這種情況下，線程的數(shù)量與CPU可用內(nèi)核的數(shù)量無關(guān)，因?yàn)閷€程的劃分是基于概念上的設(shè)計(jì)而不是試圖增加吞吐量。

為了性能而使用并發(fā)

多處理器系統(tǒng)已經(jīng)存在了幾十年，但直到最近，他們幾乎只能在超級計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和大型服務(wù)器系統(tǒng)中才能看到。然而芯片制造商越來越傾向于多核芯片的設(shè)計(jì)，即在單個芯片上集成2、4、16或更多的處理器，從而達(dá)到比單核心更好的性能。因此，多核臺式計(jì)算機(jī)，甚至多核嵌入式設(shè)備，現(xiàn)在越來越普遍。這些計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的提高不是源自使單一任務(wù)運(yùn)行的更快，而是源自并行運(yùn)行多個任務(wù)。在過去，程序員曾坐等他們的程序隨著處理器的更新?lián)Q代而變得更快，無需他們這邊做出任何努力。但是現(xiàn)在，就像Herb Sutter所說的，“免費(fèi)的午餐結(jié)束了1”。如果軟件想要利用日益增長的計(jì)算能力，它必須設(shè)計(jì)為并發(fā)運(yùn)行多個任務(wù)。程序員因此必須留意，而且那些迄今都忽略并發(fā)的人們必須注意它并將其加入他們的工具箱中。

有兩種方式為了性能使用并發(fā)。首先，也是最明顯的，是將一個單個任務(wù)分成幾部分且各自并行運(yùn)行，從而降低總運(yùn)行時間，這就是任務(wù)并行（taskparallelism）。雖然這聽起來很直觀，但它可以是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，因?yàn)樵诟鱾€部分之間可能存在很多的依賴。區(qū)別可能是在過程方面——一個線程執(zhí)行算法的一部分而另一個線程執(zhí)行算法的另一部分——或是在數(shù)據(jù)方面——每個線程在不同的數(shù)據(jù)部分上執(zhí)行相同的操作。后一種方法被稱為數(shù)據(jù)并行（dataparallelism）。

容易受這種并行影響的算法常被稱為易并行（embarrassinglyparallel）。拋開你可能會尷尬地面對的很容易并行化的代碼這一含義，這是一件好事情。我曾遇到過的關(guān)于此算法的別的術(shù)語是自然并行（naturallyparallel）和便利并發(fā)（convenientlyconcurrent）。易并行算法具有良好的可擴(kuò)展特性——隨著可用硬件線程數(shù)量的提升，算法的并行性可以隨之增加與之匹配。這樣的一個算法是諺語“人多力量大”的完美體現(xiàn)。對于非易并行算法的那一部分，你可以將算法劃分為一個固定（因而不可擴(kuò)展）數(shù)量的并行任務(wù)。在線程之間劃分任務(wù)的技巧涵蓋在第8章中。

使用并發(fā)來提升性能的第二種方法是使用可用的并行方式來解決更大的問題。與其同時處理一個文件，不如酌情處理2個或10個或20個。雖然這實(shí)際上只是數(shù)據(jù)并行的一種應(yīng)用，通過對多組數(shù)據(jù)同時執(zhí)行相同的操作，但還是有不同的重點(diǎn)。處理一個數(shù)據(jù)塊仍然需要同樣的時間，但在相同的時間內(nèi)卻可以處理更多的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這種方法也存在限制，且并非在所有情況下都是有益的，但是這種方法所帶來的吞吐量提升可以讓一些新玩意變得可能。例如，如果圖片的各部分可以并行處理，就能提高視頻處理的分辨率。

什么時候不使用并發(fā)

知道何時不使用并發(fā)與知道何時要使用它同等重要。基本上，不使用并發(fā)的唯一原因就是在收益比不上成本的時候。使用并發(fā)的代碼在很多情況下難以理解，因此編寫和維護(hù)的多線程代碼就有直接的腦力成本，同時額外的復(fù)雜性也可能導(dǎo)致更多的錯誤。除非潛在的性能增益足夠大或關(guān)注點(diǎn)分離得足夠清晰，能抵消確保其正確所需的額外的開發(fā)時間以及與維護(hù)多線程代碼相關(guān)的額外成本，否則不要使用并發(fā)。

同樣地，性能增益可能不會如預(yù)期的那么大。在啟動線程時存在固有的開銷，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)必須分配相關(guān)的內(nèi)核資源和堆棧空間，然后將新線程加入調(diào)度器中，所有這一切都要占用時間。如果在線程上運(yùn)行的任務(wù)完成得很快，那么任務(wù)實(shí)際上占據(jù)的時間與啟動線程的開銷時間相比就顯得微不足道，可能會導(dǎo)致應(yīng)用程序的整體性能還不如通過產(chǎn)生線程直接執(zhí)行該任務(wù)。

此外，線程是有限的資源。如果讓太多的線程同時運(yùn)行，則會消耗操作系統(tǒng)資源，并且使得操作系統(tǒng)整體上運(yùn)行得更緩慢。不僅如此，運(yùn)行太多的線程會耗盡進(jìn)程的可用內(nèi)存或地址空間，因?yàn)槊總€線程都需要一個獨(dú)立的堆棧空間。對于一個可用地址空間限制為4GB的扁平架構(gòu)的32位進(jìn)程來說，這尤其是個問題。如果每個線程都有一個1MB的堆棧（對于很多系統(tǒng)來說是典型的），那么4096個線程將會用盡所有地址空間，不再為代碼、靜態(tài)數(shù)據(jù)或者堆數(shù)據(jù)留有空間。雖然64位（或者更大）的系統(tǒng)不存在這種直接的地址空間限制，它們?nèi)匀恢痪邆溆邢薜馁Y源：如果你運(yùn)行太多的線程，最終會導(dǎo)致問題。盡管線程池（參見第9章）可以用來限制線程的數(shù)量，但這并不是靈丹妙藥，它們也有自己的問題。

如果客戶端/服務(wù)器應(yīng)用程序的服務(wù)器端為每一個鏈接啟動一個獨(dú)立的線程，對于少量的鏈接是可以正常工作的，但當(dāng)同樣的技術(shù)用于需要處理大量鏈接的高需求服務(wù)器時，就會因?yàn)閱犹嗑€程而迅速耗盡系統(tǒng)資源。在這種場景下，謹(jǐn)慎地使用線程池可以提供優(yōu)化的性能（參見第9章）。

最后，運(yùn)行越多的線程，操作系統(tǒng)就需要做越多的上下文切換。每個上下文切換都需要耗費(fèi)本可以花在有價(jià)值工作上的時間，所以在某些時候，增加一個額外的線程實(shí)際上會降低而不是提高應(yīng)用程序的整體性能。為此，如果你試圖得到系統(tǒng)的最佳性能，考慮可用的硬件并發(fā)（或缺乏之）并調(diào)整運(yùn)行線程的數(shù)量是必需的。

為了性能優(yōu)化而使用并發(fā)就像所有其他優(yōu)化策略一樣，它擁有極大提高應(yīng)用程序性能的潛力，但它也可能使代碼復(fù)雜化，使其更難理解和更容易出錯。因此，只有對應(yīng)用程序中的那些具有顯著增益潛力的性能關(guān)鍵部分才值得這樣做。當(dāng)然，如果性能收益的潛力僅次于設(shè)計(jì)清晰或關(guān)注點(diǎn)分離，可能也值得使用多線程設(shè)計(jì)。

假設(shè)你已經(jīng)決定確實(shí)要在應(yīng)用程序中使用并發(fā)，無論是為了性能、關(guān)注點(diǎn)分離，或是因?yàn)椤岸嗑€程星期一”，對于C++程序員來說意味著什么？

本文節(jié)選自《C++并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》

內(nèi)容簡介

書是一本基于C++11新標(biāo)準(zhǔn)的并發(fā)和多線程編程深度指南。內(nèi)容包括std::thread、std::mutex、std::future和std::async等基礎(chǔ)類的使用，內(nèi)存模型和原子操作、基于鎖和無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，以及并行算法和線程管理，最后還介紹了多線程代碼的測試。本書的附錄部分還對C++11新語言特性中與多線程相關(guān)的項(xiàng)目進(jìn)行了簡要的介紹，并提供了C++11線程庫的完整參考。

本書適合于需要深入了解C++多線程開發(fā)的讀者，以及使用C++進(jìn)行各類軟件開發(fā)的開發(fā)人員、測試人員閱讀。使用第三方線程庫的讀者，也可以從本書后面的章節(jié)中了解到相關(guān)的指引和技巧。同時，本書還可以作為C++11線程庫的參考工具書。

本文轉(zhuǎn)載自異步社區(qū)。

原文鏈接：https://www.epubit.com/articleDetails?id=NC7E3EF91FDF00001D2E571D917303130

軟件開發(fā) 編程語言 c++

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