c++并发编程

C++ 多线程与内存模型资料汇
参考阿里云文章
参考linux kernel perfbook
参考C++并发编程

• 并发编程算法总体上分为两大类
  blocking algorithms
  non-blocking algorithms

• blocking algorithms
  1）blocking
  一个方法被称为阻塞的，即这个方法在其演进过程中不能正常运行直到其他（占有锁的）线程释放。
  2）starvation-free（也称无闭锁）
  只有当底层平台/系统提供了明确的保障以后讨论这个性质才有意义。
  希望进入互斥区的线程最终都能进入。

• non-blocking algorithms （参见non-blocking algorithm）
  1）Obstruction-Free（Maurice Herlihy，Mark Moir和Victor Luchangco所提出的Double-ended Queue）
  Obstruction-free 是指在任何时间点，一个孤立运行线程的每一个操作可以在有限步之内结束。只要没有竞争，线程就可以持续运行，一旦共享数据被修改，Obstruction-free 要求中止已经完成的部分操作，并进行回滚，obstruction-free 是并发级别更低的非阻塞并发，该算法在不出现冲突性操作的情况下提供单线程式的执行进度保证，所有 Lock-Free 的算法都是 Obstruction-free 的。
  2）Lock-Free
  Lock-freedom 指的是整个系统作为一个整体一直运行下去，系统内部单个线程某段时间内可能会饥饿，这是比wait-freedom弱的并发级别，但系统整体上看依然是没有阻塞的。所有wait-free的算法显然都满足lock-free的要求。
  3）Wait-Free
  Wait-freedom 指的是每一个线程都一直运行下去而无须等待外部条件，整个流程中任何操作都能在一个有限的步骤内完成，这是最高的并发级别，没有任何阻塞。

0.并发的相关知识点

0.1 并行与并发

• 计算机中的并发，指的是在单一系统中，同时执行多个独立的活动。对于多核系统，它们在同一时刻进行的活动，则称为并行。
  希望进入互斥区域的线程最终都能够进入互斥区域（即使之前在互斥区中的线程意外停止了）。

0.2 多进程和多线程并发

• 多进程并发
  多个进程独立地运行，它们之间通过进程间常规的通信渠道传递讯息（信号，套接字，文件，管道等），这种进程间通信不是设置复杂就是速度慢，这是因为为了避免一个进程去修改另一个进程，操作系统在进程间提供了一定的保护措施，当然，这也使得编写安全的并发代码更容易。
  运行多个进程也需要固定的开销：进程的启动时间，进程管理的资源消耗。

• 多线程并发
  线程就像轻量级的进程，每个线程相互独立运行，但它们共享地址空间，所有线程访问到的大部分数据如指针、对象引用或其他数据可以在线程之间进行传递，它们都可以访问全局变量。进程之间通常共享内存，但这种共享通常难以建立且难以管理，缺少线程间数据的保护。因此，在多线程编程中，我们必须确保每个线程锁访问到的数据是一致的。

0.3 同步和异步

0.3.1 同步和异步概念

• 同步
  就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。也就是必须一件一件事做，等前一件做完了才能做下一件事。

• 异步
  当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
  如果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

0.3.2 同步传输和异步传输概念

• 同步传输
  通常，同步传输是以数据块为传输单位。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列 (如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块进行差错控制。所谓同步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格地规定它们的时间关系。

• 异步传输
  通常，异步传输是以字符为传输单位，每个字符都要附加 1 位起始位和 1 位停止位，以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。所谓异步传输是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。
  异步传输又称为起止式异步通信方式，其优点是简单、可靠，适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，计算机与Modem之间的通信就是采用这种方式。它的缺点是通信开销大，每传输一个字符都要额外附加2～3位，通信效率比较低。例如，在使用Modem上网时，普遍感觉速度很慢，除了传输速率低之外，与通信开销大、通信效率低也密切相关。

0.3.3 阻塞和非阻塞、同步和异步

• 同步
  执行一个操作之后，等待结果，然后才继续执行后续的操作

• 异步
  执行一个操作后，可以去执行其他的操作，然后等待通知再回来执行刚才没执行完的操作
  访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞；异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。

• 阻塞
  进程给CPU传达一个任务后，一直等待CPU处理完成，然后才执行后面的操作

• 非阻塞
  进程给CPU传达任务后，继续处理后续操作，隔断时间再来询问之前的操作是否完成。
  进程/线程要访问的数据是否就绪，进程/线程是否需要等待。

1.多线程相关的头文件

1.1 thread support library

• 这些库包括
  
  
  条件变量
  
• “Thread support library”可以简单想象成POSIX线程库的OO版本，对常用的Threads、Mutex、Condition Variables、Futures等概念进行了很好的封装，其实它的前身就是Boost::Thread.

1.2 atomic operations library

• “Atomic operations library”顾名思义，其实就是原子操作库。而在以往，我们往往需要借助汇编语言或者第三方线程库方能实现。atomic对于多线程编程，尤其是lock-free算法，其重要性不言而喻.
• 并非所有的atomic内置类型操作均是lock-free的，与具体平台相关，可以调用is_lock_free接口进行查询。

2.thread详解

C++ thread库

3.mutex详解

C++ mutex库

4.future详解

c++ future库

5.conditon_variable详解

c++条件变量

6.atomic详解

c++ atomic库和atomic_flag库
CAS——Compare-and-swap

7.内存模型

non-blocking algorithm
c++ 内存模型
Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers

8.生产者消费者模型