【C++高性能编程专题】高并发编程模式

为了仅可能多得利用CPU资源，C++发明了很多的并发编程模式。

Proactor模式

Proactor模式的核心思想是在网络事件发生之前，为事件预先注册一组异步操作，这些操作将在事件完成后自动执行。异步操作通常包括读/写数据、连接建立等。当操作完成时，Proactor模式会将操作结果和应用程序预先指定的回调函数传递给应用程序。这种机制使得应用程序可以在等待I/O操作完成时继续执行其他任务，提高了程序的执行效率。

实现原理：

Proactor模式的关键组件包括：

• Initiator：应用程序组件，负责发起异步操作。
• Proactor：负责管理和处理异步操作的完成事件。通常，Proactor使用操作系统提供的异步I/O机制来实现，如Windows的I/O完成端口（IOCP）或Linux的epoll。
• Asynchronous Operation Processor：异步操作处理器，负责处理异步操作的结果。这些处理器通常以回调函数的形式实现，将在Proactor通知操作完成后自动执行。

优缺点：

优点：

• 高性能：Proactor模式利用了操作系统提供的高效异步I/O机制，有效地减少了上下文切换和线程同步开销，提高了程序的性能。
• 可扩展性：Proactor模式支持多个异步操作并发执行，能够充分利用多核处理器的计算能力，提高程序的扩展性。
• 良好的解耦：Proactor模式将网络I/O操作与业务逻辑清晰地分离，使得应用程序更容易维护和扩展。

缺点：

• 编程复杂性：Proactor模式需要处理异步操作的回调函数和事件通知，编程相对复杂。
• 跨平台兼容性：不同操作系统提供的异步I/O机制可能存在差异，这可能导致Proactor模式在跨平台应用中需要进行额外的适配工作。

使用场景：

Proactor模式适用于以下场景：

• 高性能网络服务器：如Web服务器、数据库服务器等，需要处理大量并发连接和I/O操作。
• 实时通信：如在线游戏、聊天应用等，需要高效地处理多个实时连接。

实战模式-代码示例

• 服务器端：

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using asio::ip::tcp;
  
  void handle_connection(tcp::socket socket) {
      try {
          std::array buf;
          for (;;) {
              std::size_t len = socket.read_some(asio::buffer(buf));
              asio::write(socket, asio::buffer(buf, len));
          }
      } catch (std::exception& e) {
          std::cerr << "Exception in connection handling: " << e.what() << std::endl;
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      try {
          if (argc != 2) {
              std::cerr << "Usage: echo_server \n";
              return 1;
          }
  
          asio::io_context io_context;
          tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), std::stoi(argv[1])));
          std::vector> futures;
  
          for (;;) {
              tcp::socket socket(io_context);
              acceptor.accept(socket);
              futures.push_back(std::async(std::launch::async, handle_connection, std::move(socket)));
          }
      } catch (std::exception& e) {
          std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
      }
  
      return 0;
  }
  

• 客户端
  客户端的代码就不展示了，可以去下面的链接中下载。

完整版本可以去这里下载：C++高性能高并发proactor模式完整版本下载
提供完整的安装依赖，编译，和操作步骤。

其它高并发模式

除了Reactor模式，C++中还有其他一些模式可以实现高并发，例如：

• Proactor模式
  Proactor模式是一种基于异步事件处理的并发模式，与Reactor模式类似，它也将事件处理和IO操作分离。不同的是，Proactor模式中的事件处理是基于异步操作完成的，即IO操作完成后，系统会发出信号通知应用程序，然后应用程序可以处理已完成的IO操作。Proactor模式可以在大量IO操作同时进行时提高系统的并发性能，减少资源的占用。

• Actor模式
  Actor模式是一种基于消息传递的并发模式，它将并发程序看作一组相互独立的Actor，每个Actor都有自己的状态和行为，它们之间通过异步消息传递进行通信和协作。在Actor模式中，每个Actor都是单线程执行，因此不需要考虑线程同步和资源竞争的问题，可以避免很多并发问题，提高程序的可维护性和可靠性。

• Thread-Per-Message模式
  Thread-Per-Message模式是一种基于多线程的并发模式，它采用多个线程来处理消息或请求，每个线程都是独立的，不会相互干扰。在Thread-Per-Message模式中，每个请求都会分配一个独立的线程进行处理，从而提高了系统的并发性能和吞吐量。不过，这种模式也存在线程开销和资源浪费的问题，需要合理地控制线程数目，避免过多的线程导致系统负担过重。

• Futures and Promises模式
  Futures and Promises模式是一种基于异步编程的并发模式，它通过将异步操作封装为Future对象来实现并发。Future对象表示异步操作的结果，可以用于获取异步操作的返回值或异常信息。Promise对象则用于设置异步操作的结果，异步操作完成后，将结果传递给Future对象，然后应用程序可以根据需要处理结果。Futures and Promises模式可以实现高效的异步编程，避免了线程的创建和销毁，提高了系统的并发性能。

• Thread Pool模式
  Thread Pool模式是一种基于线程池的并发模式，它将一组预先创建的线程作为资源池，用于处理多个任务或请求。当有新的任务或请求到来时，系统会从线程池中选择一个空闲线程来处理，处理完成后线程可以继续处理其他任务或请求。Thread Pool模式可以减少线程的创建和销毁，避免了线程过多导致系统负担过重的问题，提高了系统的并发性能。

• Worker Thread模式
  Worker Thread模式是一种基于工作者线程的并发模式，它将一组工作者线程用于处理任务或请求，主线程负责提交任务或请求给工作者线程处理。在Worker Thread模式中，主线程和工作者线程之间通过线程安全的队列进行通信，主线程将任务或请求添加到队列中，工作者线程从队列中取出任务或请求进行处理。Worker Thread模式可以避免线程的创建和销毁，提高了系统的并发性能。

• Active Object模式
  Active Object模式是一种基于消息传递的并发模式，它通过将对象的方法调用封装为消息，将消息传递给对象的消息队列中，然后由对象的私有线程从队列中取出消息进行处理。Active Object模式可以将多个方法调用并发执行，提高系统的并发性能，同时避免了线程间的竞争和同步问题。

• Double Checked Locking模式
  Double Checked Locking模式是一种用于线程安全的单例模式的实现方式，它通过在对象的初始化时进行双重检查来确保对象只被初始化一次。Double Checked Locking模式可以避免多个线程同时创建对象的问题，提高系统的并发性能。

• Read-Write Lock模式
  Read-Write Lock模式是一种用于读写操作的线程安全机制，它通过将共享数据分为读写两种方式进行操作，读操作可以并发执行，写操作则需要独占共享数据的访问权。Read-Write Lock模式可以提高系统的并发性能，避免了读写操作的互斥问题。

• Monitor模式
  Monitor模式是一种用于线程间同步和通信的机制，它通过将共享数据和操作封装在一起，然后使用互斥锁和条件变量等机制来实现线程间的同步和通信。Monitor模式可以避免线程间的竞争和同步问题，提高系统的并发性能。

• Guarded Suspension模式
  Guarded Suspension模式是一种基于条件变量的线程同步机制，它通过在条件变量上等待来实现线程的挂起和唤醒。在Guarded Suspension模式中，线程在访问共享资源之前先判断某个条件是否满足，如果条件不满足则等待，直到条件满足后再进行操作。Guarded Suspension模式可以避免线程间的竞争和同步问题，提高系统的并发性能。

• Balking模式：该模式用于在条件不满足时，避免执行操作。当线程发现条件不满足时，会“躲避”或“放弃”当前的操作。

• Thread-Specific Storage模式：该模式用于在线程间共享数据时，避免线程间相互干扰。该模式使用了本地存储（Thread-Specific Storage），使每个线程都有自己的存储空间，从而避免了线程间的冲突。

• Scoped Locking模式：该模式用于确保资源在其使用期间不会被其他线程访问。当一个线程获得了锁时，该锁会在其离开作用域时自动释放，从而避免了锁被长时间占用的问题。

• Immutable Object模式：该模式用于创建不可变对象，从而避免了线程间的竞争。因为不可变对象不会被修改，所以不需要进行同步操作。

• Thread-Safe Interface模式：该模式用于确保一个对象的所有公共方法都是线程安全的。这种模式通常需要使用锁或其他同步机制来保证线程安全。

• Double Checked Locking模式：该模式用于创建单例对象时，避免多个线程同时创建多个实例。该模式使用了懒加载（Lazy Initialization）的思想，同时使用了锁来保证线程安全。

• Message Queue模式：该模式用于在线程间发送消息，并确保消息的顺序性和线程安全性。每个线程都有自己的消息队列，其他线程可以向其发送消息，从而实现线程间通信。

• Thread Pool模式：该模式用于管理线程池，以提高线程的效率和性能。线程池可以复用已有的线程，从而避免了线程创建和销毁的开销。

• Worker Thread模式：该模式用于将工作分配给多个线程处理，以提高系统的并发性。每个线程都有自己的任务队列，其他线程可以向其发送任务，从而实现任务分配和处理。

• Half-Sync/Half-Async模式：该模式用于将同步处理和异步处理结合起来，以提高系统的并发性和可扩展性。该模式通常使用同步线程池和异步事件处理器来实现。

参考文献：

1 Schmidt, D.C., Stal, M., Rohnert, H., and Buschmann, F. (2000). Pattern-Oriented Software Architecture: Patterns for Concurrent and Networked Objects, Volume 2. Wiley.
2 Schmidt, D.C. (1995). Reactor and Proactor: An Object Behavioral Pattern for Concurrent Event Demultiplexing and Event Handler Dispatching. Pattern Languages of Program Design, edited by James O. Coplien and Douglas C. Schmidt. Addison-Wesley, 1995.
3 Kegel, D. (2002). The C10K problem. http://www.kegel.com/c10k.html
本文讨论了如何解决每秒处理上万个并发连接的挑战，其中提到了Proactor模式在高性能服务器设计中的应用。

4 Iyengar, A., and Drougas, D. (2001). High-performance I/O architecture (HIOA) for scalable Web services. IBM Systems Journal, 40(2), 347-366.
本文介绍了高性能I/O架构（HIOA），这是一个基于Proactor模式的Web服务框架。

5 Schmidt, D.C., and Huston, S.D. (2002). C++ Network Programming: Mastering Complexity Using ACE and Patterns. Addison-Wesley Professional.
本书详细讨论了使用ACE（Adaptive Communication Environment）库和设计模式（包括Proactor模式）进行C++网络编程的方法。