並發和多執行緒

並發和多執行緒對於建構高性能和響應式應用程式至關重要，尤其是在 C++ 中，可以直接控制執行緒。雖然 JavaScript 主要為單執行緒（非同步操作由事件循環處理），但 C++ 提供了強大的機制來實現真正的並行，允許同時運行多個任務。

多執行緒基本概念

• 進程： 具有自己記憶體空間的獨立執行單元。
• 執行緒： 進程內部的輕量級執行單元。同一進程內的執行緒共享相同的記憶體空間，這允許高效的資料共享，但也引入了競爭條件等挑戰。
• 並發： 能夠同時執行多個任務（例如，透過在單一核心上快速切換任務）。
• 並行： 能夠真正同時執行多個任務（例如，透過在不同的 CPU 核心上運行任務）。
• 競爭條件： 多個執行緒同時存取和修改共享資料，最終結果取決於其執行不可預測的時序的情況。
• 死鎖： 兩個或多個執行緒無限期地阻塞，等待彼此釋放資源的情況。

std::thread 用法

C++11 引入了 std::thread 用於建立和管理執行緒。它提供了一種簡單且可移植的方式來啟動新的執行流程。

互斥鎖和條件變數

當多個執行緒共享資料時，需要機制來防止競爭條件並確保資料完整性。

互斥鎖 (std::mutex)

• 互斥鎖 (mutual exclusion) 是一種同步原語，用於保護共享資料免受多個執行緒的並發存取。一次只能有一個執行緒獲取互斥鎖。
• lock()： 獲取互斥鎖。如果已鎖定，呼叫執行緒將阻塞。
• unlock()： 釋放互斥鎖。
• std::lock_guard / std::unique_lock： 互斥鎖的 RAII 包裝器，確保它們在超出作用域時自動解鎖，即使發生例外。

條件變數 (std::condition_variable)

• 條件變數用於根據特定條件同步執行緒。它們允許執行緒等待直到條件變為真，並在條件改變時收到通知。
• 通常與互斥鎖一起使用，以保護條件所依賴的共享資料。

原子操作 (std::atomic)

原子操作是保證完全且不可分割地執行的操作，即使在多個執行緒存在的情況下也是如此。它們對於簡單的單變數更新很有用，在這種情況下，互斥鎖可能過於繁重。

• std::atomic<int>：為整數提供原子操作。
• fetch_add、compare_exchange_weak 等操作是原子的。

非同步程式設計 (async/await)

雖然 C++ 具有傳統的多執行緒，但現代 C++（C++11 起）也提供了促進非同步程式設計的功能，類似於 JavaScript 的 async/await。

• std::future 和 std::promise： 用於從非同步操作獲取結果。
• std::async： 啟動非同步任務並返回一個 std::future，該 std::future 最終將保存結果。
• 協程 (C++20)： 用於編寫看起來同步的非同步程式碼的更高級功能。

執行緒池設計

執行緒池是預先初始化執行緒的集合，可用於執行任務。任務不是為每個任務建立一個新執行緒，而是提交到執行緒池，由可用的執行緒拾取並執行任務。這減少了執行緒建立和銷毀的開銷，提高了具有許多短生命週期任務的應用程式的性能。

優點：

• 減少執行緒建立/銷毀的開銷。
• 管理活動執行緒的數量，防止資源耗盡。
• 提高響應性。

與 JavaScript 非同步程式設計的比較

JavaScript 的並發模型基於單執行緒事件循環。雖然它可以處理許多操作並發（例如，網路請求、計時器）而不會阻塞主執行緒，但它透過非同步回呼、Promise 和 async/await 實現了這一點，而不是真正的並行。

C++ 提供了對執行緒和記憶體進行精細控制的工具，實現真正的並行和計算密集型任務的最大性能。然而，這種能力伴隨著管理同步和避免常見並發陷阱的責任。

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練習題：

1. 解釋並發和並行之間的區別。C++ 如何實現並行，JavaScript 如何實現並發？
2. 什麼是競爭條件，互斥鎖如何幫助在 C++ 中防止它？提供一個簡單的 C++ 程式碼範例，演示 std::mutex 的使用。
3. 描述 C++ 中 std::async 和 std::future 的用途。它們如何促進非同步程式設計，這與 JavaScript 的 async/await 如何比較？

專案構想：

• 在 C++ 中實作一個簡單的多執行緒質數計算器。將要檢查的數字範圍分配給多個執行緒。使用 std::thread 建立執行緒，並使用 std::mutex 或 std::atomic 安全地收集每個執行緒找到的質數。將其執行時間與單執行緒版本進行比較。