C++并发编程实战

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第1章 你好，C++并发世界 1

1.1 什么是并发 2

1.1.1 计算机系统中的并发 2

1.1.2 并发的途径 3

1.2 为什么使用并发 5

1.2.1 为了划分关注点而使用并发 5

1.2.2 为了性能而使用并发 6

1.2.3 什么时候不使用并发 7

1.3 在C++中使用并发和多线程 8

1.3.1 C++多线程历程 8

1.3.2 新标准中的并发支持 9

1.3.3 C++线程库的效率 9

1.3.4 平台相关的工具 10

1.4 开始入门 11

1.5 小结 12

第2章 管理线程 13

2.1 基本线程管理 13

2.1.1 启动线程 14

2.1.2 等待线程完成 16

2.1.3 在异常环境下的等待 17

2.1.4 在后台运行线程 19

2.2 传递参数给线程函数 20

2.3 转移线程的所有权 23

2.4 在运行时选择线程数量 26

2.5 标识线程 28

2.6 小结 29

第3章 在线程间共享数据 31

3.1 线程之间共享数据的问题 32

3.1.1 竞争条件 33

3.1.2 避免有问题的竞争条件 34

3.2 用互斥元保护共享数据 35

3.2.1 使用C++中的互斥元 35

3.2.2 为保护共享数据精心组织代码 36

3.2.3 发现接口中固有的竞争条件 38

3.2.4 死锁：问题和解决方案 44

3.2.5 避免死锁的进一步指南 46

3.2.6 用std::unique_lock灵活锁定 51

3.2.7 在作用域之间转移锁的所有权 52

3.2.8 锁定在恰当的粒度 54

3.3 用于共享数据保护的替代工具 56

3.3.1 在初始化时保护共享数据 56

3.3.2 保护很少更新的数据结构 59

3.3.3 递归锁 61

3.4 小结 62

第4章 同步并发操作 63

4.1 等待事件或其他条件 63

4.1.1 用条件变量等待条件 65

4.1.2 使用条件变量建立一个线程安全队列 67

4.2 使用future等待一次性事件 71

4.2.1 从后台任务中返回值 72

4.2.2 将任务与future相关联 74

4.2.3 生成(std::)promise 77

4.2.4 为future保存异常 79

4.2.5 等待自多个线程 80

4.3 有时间限制的等待 82

4.3.1 时钟 83

4.3.2 时间段 84

4.3.3 时间点 85

4.3.4 接受超时的函数 86

4.4 使用操作同步来简化代码 88

4.4.1 带有future的函数式编程 88

4.4.2 具有消息传递的同步操作 92

4.5 小结 96

第5章 C++内存模型和原子类型上操作 97

5.1 内存模型基础 98

5.1.1 对象和内存位置 98

5.1.2 对象、内存位置以及并发 99

5.1.3 修改顺序 100

5.2 C++中的原子操作及类型 100

5.2.1 标准原子类型 101

5.2.2 std::atomic_flag上的操作 103

5.2.3 基于std::atomicbool的操作 105

5.2.4 std::atomicT*上的操作：指针算术运算 107

5.2.5 标准原子整型的操作 108

5.2.6 std::atomic初级类模板 109

5.2.7 原子操作的自由函数 111

5.3 同步操作和强制顺序 112

5.3.1 synchronizes-with关系 114

5.3.2 happens-before关系 114

5.3.3 原子操作的内存顺序 116

5.3.4 释放序列和synchronizes-with 133

5.3.5 屏障 135

5.3.6 用原子操作排序非原子操作 137

5.4 小结 138

第6章 设计基于锁的并发数据结构 140

6.1 为并发设计的含义是什么 141

6.2 基于锁的并发数据结构 142

6.2.1 使用锁的线程安全栈 142

6.2.2 使用锁和条件变量的线程安全队列 145

6.2.3 使用细粒度锁和条件变量的线程安全队列 149

6.3 设计更复杂的基于锁的数据结构 160

6.3.1 编写一个使用锁的线程安全查找表 160

6.3.2 编写一个使用锁的线程安全链表 165

6.4 小结 169

第7章 设计无锁的并发数据结构 170

7.1 定义和结果 171

7.1.1 非阻塞数据结构的类型 171

7.1.2 无锁数据结构 172

7.1.3 无等待的数据结构 172

7.1.4 无锁数据结构的优点与缺点 172

7.2 无锁数据结构的例子 173

7.2.1 编写不用锁的线程安全栈 174

7.2.2 停止恼人的泄漏：在无锁数据结构中管理内存 178

7.2.3 用风险指针检测不能被回收的结点 182

7.2.4 使用引用计数检测结点 189

7.2.5 将内存模型应用至无锁栈 194

7.2.6 编写不用锁的线程安全队列 198

7.3 编写无锁数据结构的准则 209

7.3.1 准则：使用std::memory_order_seq_cst作为原型 210

7.3.2 准则：使用无锁内存回收模式 210

7.3.3 准则：当心ABA问题 210

7.3.4 准则：识别忙于等待的循环以及辅助其他线程 211

7.4 小结 211

第8章 设计并发代码 213

8.1 在线程间划分工作的技术 214

8.1.1 处理开始前在线程间划分数据 214

8.1.2 递归地划分数据 215

8.1.3 以任务类型划分工作 219

8.2 影响并发代码性能的因素 222

8.2.1 有多少个处理器 222

8.2.2 数据竞争和乒乓缓存 223

8.2.3 假共享 225

8.2.4 数据应该多紧密 225

8.2.5 过度订阅和过多的任务切换 226

8.3 为多线程性能设计数据结构 226

8.3.1 为复杂操作划分数组元素 227

8.3.2 其他数据结构中的数据访问方式 228

8.4 为并发设计时的额外考虑 230

8.4.1 并行算法中的异常安全 230

8.4.2 可扩展性和阿姆达尔定律 237

8.4.3 用多线程隐藏延迟 238

8.4.4 用并发提高响应性 239

8.5 在实践中设计并发代码 241

8.5.1 std::for_each的并行实现 241

8.5.2 std::find的并行实现 243

8.5.3 std::partial_sum的并行实现 248

8.6 总结 256

第9章 高级线程管理 258

9.1 线程池 259

9.1.1 最简单的线程池 259

9.1.2 等待提交给线程池的任务 261

9.1.3 等待其他任务的任务 265

9.1.4 避免工作队列上的竞争 267

9.1.5 工作窃取 269

9.2 中断线程 273

9.2.1 启动和中断另一个线程 274

9.2.2 检测一个线程是否被中断 275

9.2.3 中断等待条件变量 276

9.2.4 中断在std::condition_variable_ any上的等待 279

9.2.5 中断其他阻塞调用 281

9.2.6 处理中断 281

9.2.7 在应用退出时中断后台任务 282

9.3 总结 284

第10章 多线程应用的测试与调试 285

10.1 并发相关错误的类型 285

10.1.1 不必要的阻塞 286

10.1.2 竞争条件 286

10.2 定位并发相关的错误的技巧 288

10.2.1 审阅代码以定位潜在的错误 288

10.2.2 通过测试定位并发相关的错误 290

10.2.3 可测试性设计 291

10.2.4 多线程测试技术 292

10.2.5 构建多线程的测试代码 295

10.2.6 测试多线程代码的性能 297

10.3 总结 298

附录A 附录A C++11部分

语言特性简明

参考 299

附录B 并发类库

作者简介

《C++并发编程实战》是一本基于C++11新标准的并发和多线程编程深度指南。内容包括从std::thread、std::mutex、std::future和std::async等基础类的使用，到内存模型和原子操作、基于锁和无锁数据结构的构建，再扩展到并行算法、线程管理，最后还介绍了多线程代码的测试工作。本书的附录部分还对C++11新语言特性中与多线程相关的项目进行了简要的介绍，并提供了C++11线程库的完整参考。

《C++并发编程实战》适合于需要深入了解C++多线程开发的读者，以及使用C++进行各类软件开发的开发人员、测试人员。对于使用第三方线程库的读者，也可以从本书后面的章节中了解到相关的指引和技巧。同时，本书还可以作为C++11线程库的参考工具书。

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