并发和多线程

并发和多线程对于构建高性能和响应式应用程序至关重要，尤其是在 C++ 中，可以直接控制线程。虽然 JavaScript 主要为单线程（异步操作由事件循环处理），但 C++ 提供了强大的机制来实现真正的并行，允许同时运行多个任务。

多线程基本概念

• 进程： 具有自己内存空间的独立执行单元。
• 线程： 进程内部的轻量级执行单元。同一进程内的线程共享相同的内存空间，这允许高效的数据共享，但也引入了竞争条件等挑战。
• 并发： 能够同时执行多个任务（例如，通过在单一核心上快速切换任务）。
• 并行： 能够真正同时执行多个任务（例如，通过在不同的 CPU 核心上运行任务）。
• 竞争条件： 多个线程同时访问和修改共享数据，最终结果取决于其执行不可预测的时序的情况。
• 死锁： 两个或多个线程无限期地阻塞，等待彼此释放资源的情况。

std::thread 用法

C++11 引入了 std::thread 用于创建和管理线程。它提供了一种简单且可移植的方式来启动新的执行流程。

互斥锁和条件变量

当多个线程共享数据时，需要机制来防止竞争条件并确保数据完整性。

互斥锁 (std::mutex)

• 互斥锁 (mutual exclusion) 是一种同步原语，用于保护共享数据免受多个线程的并发访问。一次只能有一个线程获取互斥锁。
• lock()： 获取互斥锁。如果已锁定，调用线程将阻塞。
• unlock()： 释放互斥锁。
• std::lock_guard / std::unique_lock： 互斥锁的 RAII 包装器，确保它们在超出作用域时自动解锁，即使发生异常。

条件变量 (std::condition_variable)

• 条件变量用于根据特定条件同步线程。它们允许线程等待直到条件变为真，并在条件改变时收到通知。
• 通常与互斥锁一起使用，以保护条件所依赖的共享数据。

原子操作 (std::atomic)

原子操作是保证完全且不可分割地执行的操作，即使在多线程存在的情况下也是如此。它们对于简单、单变量更新很有用，在这种情况下，互斥锁可能过于繁重。

• std::atomic<int>：为整数提供原子操作。
• fetch_add、compare_exchange_weak 等操作是原子的。

异步编程 (async/await)

虽然 C++ 具有传统的多线程，但现代 C++（C++11 onwards）也提供了促进异步编程的功能，类似于 JavaScript 的 async/await。

• std::future 和 std::promise： 用于从异步操作获取结果。
• std::async： 启动异步任务并返回一个 std::future，该 std::future 最终将保存结果。
• 协程 (C++20)： 用于编写看起来同步的异步代码的更高级功能。

线程池设计

线程池是预先初始化线程的集合，可用于执行任务。任务不是为每个任务创建一个新线程，而是提交到线程池，由可用的线程拾取并执行任务。这减少了线程创建和销毁的开销，提高了具有许多短生命周期任务的应用程序的性能。

优点：

• 减少线程创建/销毁的开销。
• 管理活动线程的数量，防止资源耗尽。
• 提高响应性。

与 JavaScript 异步编程的比较

JavaScript 的并发模型基于单线程事件循环。虽然它可以处理许多操作并发（例如，网络请求、计时器）而不会阻塞主线程，但它通过异步回调、Promise 和 async/await 实现了这一点，而不是真正的并行。

C++ 提供了对线程和内存进行精细控制的工具，实现真正的并行和计算密集型任务的最大性能。然而，这种能力伴随着管理同步和避免常见并发陷阱的责任。

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练习题：

1. 解释并发和并行之间的区别。C++ 如何实现并行，JavaScript 如何实现并发？
2. 什么是竞争条件，互斥锁如何帮助在 C++ 中防止它？提供一个简单的 C++ 代码示例，演示 std::mutex 的使用。
3. 描述 C++ 中 std::async 和 std::future 的用途。它们如何促进异步编程，这与 JavaScript 的 async/await 如何比较？

项目构想：

• 在 C++ 中实现一个简单的多线程素数计算器。将要检查的数字范围分配给多个线程。使用 std::thread 创建线程，并使用 std::mutex 或 std::atomic 安全地收集每个线程找到的素数。将其执行时间与单线程版本进行比较。