C++並發編程實戰（第2版）

《C++並發編程實戰（第2版）》是2021年人民郵電出版社出版的圖書，作者是安東尼·威廉士（Anthony Williams）。

基本介紹

• 中文名：C++並發編程實戰（第2版）
• 作者：安東尼·威廉士（Anthony Williams）
• 譯者：吳天明
• 出版時間：2021年12月1日
• 出版社：人民郵電出版社
• ISBN：9787115573551
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝

內容簡介

這是一本介紹C++並發和多執行緒編程的深度指南。本書從C++標準程式庫的各種工具講起，介紹執行緒管控、線上程間共享數據、並發操作的同步、C++記憶體模型和原子操作等內容。同時，本書還介紹基於鎖的並發數據結構、無鎖數據結構、並發代碼，以及高級執行緒管理、並行算法函式、多執行緒套用的測試和除錯。本書還通過附錄及線上資源提供豐富的補充資料，以幫助讀者更完整、細緻地掌握C++並發編程的知識脈絡。

本書適合需要深入了解C++多執行緒開發的讀者，以及使用C++進行各類軟體開發的開發人員、測試人員，還可以作為C++執行緒庫的參考工具書。

圖書目錄

第 1章 你好，C++並發世界　1

1．1 什麼是並發　2

1．1．1 計算機系統中的並發　2

1．1．2 並發的方式　4

1．1．3 並發與並行　5

1．2 為什麼使用並發技術　6

1．2．1 為分離關注點而並發　6

1．2．2 為性能而並發：任務並行和數據並行　7

1．2．3 什麼時候避免並發　8

1．3 並發與C++多執行緒　9

1．3．1 C++多執行緒簡史　9

1．3．2 新標準對並發的支持　10

1．3．3 C++14和C++17進一步

支持並發和並行　10

1．3．4 標準C++執行緒庫的效率　10

1．3．5 平台專屬的工具　12

1．4 啟程上路　12

實例—“Hello Concurrent World”　12

1．5 小結　13

第 2章 執行緒管控　15

2．1 執行緒的基本管控　15

2．1．1 發起執行緒　16

2．1．2 等待執行緒完成　19

2．1．3 在出現異常的情況下等待　19

2．1．4 在後台運行執行緒　21

2．2 向執行緒函式傳遞參數　23

2．3 移交執行緒歸屬權　26

2．4 在運行時選擇執行緒數量　30

2．5 識別執行緒　33

2．6 小結　35

第3章 線上程間共享數據　37

3．1 執行緒間共享數據的問題　38

3．1．1 條件競爭　39

3．1．2 防止惡性條件競爭　40

3．2 用互斥保護共享數據　41

3．2．1 在C++中使用互斥　41

3．2．2 組織和編排代碼以保護共享數據　43

3．2．3 發現接口固有的條件競爭　44

3．2．4 死鎖：問題和解決方法　51

3．2．5 防範死鎖的補充準則　53

3．2．6 運用std：：unique_lock<>靈活加鎖　60

3．2．7 在不同作用域之間轉移互斥歸屬權　61

3．2．8 按適合的粒度加鎖　62

3．3 保護共享數據的其他工具　64

3．3．1 在初始化過程中保護共享數據　65

3．3．2 保護甚少更新的數據結構　68

3．3．3 遞歸加鎖　70

3．4 小結　71

第4章 並發操作的同步　73

4．1 等待事件或等待其他條件　73

4．1．1 憑藉條件變數等待條件成立　75

4．1．2 利用條件變數構建執行緒安全的佇列　77

4．2 使用future等待一次性事件發生　82

4．2．1 從後台任務返回值　83

4．2．2 關聯future實例和任務　85

4．2．3 創建std：：promise　88

4．2．4 將異常保存到future中　90

4．2．5 多個執行緒一起等待　91

4．3 限時等待　94

4．3．1 時鐘類　94

4．3．2 時長類　95

4．3．3 時間點類　97

4．3．4 接受逾時時限的函式　99

4．4 運用同步操作簡化代碼　101

4．4．1 利用future進行函式式編程　101

4．4．2 使用訊息傳遞進行同步　106

4．4．3 符合併發技術規約的後續風格並發　110

4．4．4 後續函式的連鎖調用　112

4．4．5 等待多個future　115

4．4．6 運用std：：experimental：：when_any()函式等待多個

future，直到其中之一準備就緒　117

4．4．7 執行緒閂和執行緒卡——並發技術規約提出的新特性　120

4．4．8 基本的執行緒閂類std：：experimental：：latch　121

4．4．9 基本的執行緒卡類std：：experimental：：barrier　122

4．4．10 std：：experimental：：flex_barrier——std：：experimental：：barrier的靈活版本　124

4．5 小結　125

第5章 C++記憶體模型和原子操作　127

5．1 記憶體模型基礎　128

5．1．1 對象和記憶體區域　128

5．1．2 對象、記憶體區域和並發　129

5．1．3 改動序列　130

5．2 C++中的原子操作及其類別　131

5．2．1 標準原子類型　131

5．2．2 操作std：：atomic_flag　135

5．2．3 操作std：：atomic　137

5．2．4 操作std：：atomic：算術形式的指針運算　139

5．2．5 操作標準整數原子類型　140

5．2．6 泛化的std：：atomic<>類模板　141

5．2．7 原子操作的非成員函式　143

5．3 同步操作和強制次序　145

5．3．1 同步關係　147

5．3．2 先行關係　147

5．3．3 原子操作的記憶體次序　149

5．3．4 釋放序列和同步關係　167

5．3．5 柵欄　169

5．3．6 憑藉原子操作令非原子操作服從記憶體次序　171

5．3．7 強制非原子操作服從記憶體次序　172

5．4 小結　175

第6章 設計基於鎖的並發數據結構　177

6．1 並發設計的內涵　178

6．2 基於鎖的並發數據結構　179

6．2．1 採用鎖實現執行緒安全的棧容器　180

6．2．2 採用鎖和條件變數實現執行緒安全的佇列容器　182

6．2．3 採用精細粒度的鎖和條件變數實現執行緒安全的佇列容器　186

6．3 設計更複雜的基於鎖的並發數據結構　198

6．3．1 採用鎖編寫執行緒安全的查找表　198

6．3．2 採用多種鎖編寫執行緒安全的鍊表　204

6．4 小結　208

第7章 設計無鎖數據結構　209

7．1 定義和推論　210

7．1．1 非阻塞型數據結構　210

7．1．2 無鎖數據結構　211

7．1．3 無須等待的數據結構　212

7．1．4 無鎖數據結構的優點和缺點　212

7．2 無鎖數據結構範例　213

7．2．1 實現執行緒安全的無鎖棧　214

7．2．2 制止麻煩的記憶體泄漏：在無鎖數據結構中管理記憶體　217

7．2．3 運用風險指針檢測無法回收的節點　223

7．2．4 借引用計數檢測正在使用中的節點　231

7．2．5 為無鎖棧容器施加記憶體模型　237

7．2．6 實現執行緒安全的無鎖佇列　242

7．3 實現無鎖數據結構的原則　254

7．3．1 原則1：在原型設計中使用std：：memory_order_seq_cst次序　254

7．3．2 原則2：使用無鎖的記憶體回收方案　255

7．3．3 原則3：防範ABA問題　255

7．3．4 原則4：找出忙等循環，協助其他執行緒　256

7．4 小結　256

第8章 設計並發代碼　257

8．1 線上程間切分任務的方法　258

8．1．1 先線上程間切分數據，再開始處理　258

8．1．2 以遞歸方式劃分數據　259

8．1．3 依據工作類別劃分任務　263

8．2 影響並發代碼性能的因素　266

8．2．1 處理器的數量　266

8．2．2 數據競爭和快取桌球（cache ping-pong）　267

8．2．3 不經意共享　270

8．2．4 數據的緊湊程度　270

8．2．5 過度任務切換與執行緒過飽和　271

8．3 設計數據結構以提升多執行緒程式的性能　272

8．3．1 針對複雜操作的數據劃分　272

8．3．2 其他數據結構的訪問模式　275

8．4 設計並發代碼時要額外考慮的因素　276

8．4．1 並行算法代碼中的異常安全　276

8．4．2 可伸縮性和Amdahl定律　283

8．4．3 利用多執行緒“掩藏”等待行為　285

8．4．4 借並發特性改進回響能力　286

8．5 並發代碼的設計實踐　287

8．5．1 std：：for_each()的並行實現　288

8．5．2 std：：find()的並行實現　290

8．5．3 std：：partial_sum()的並行實現　295

8．6 小結　305

第9章 高級執行緒管理　307

9．1 執行緒池　308

9．1．1 最簡易可行的執行緒池　308

9．1．2 等待提交給執行緒池的任務完成運行　310

9．1．3 等待其他任務完成的任務　313

9．1．4 避免任務佇列上的爭奪　316

9．1．5 任務竊取　318

9．2 中斷執行緒　322

9．2．1 發起一個執行緒，以及把它中斷　323

9．2．2 檢測執行緒是否被中斷　324

9．2．3 中斷條件變數上的等待　325

9．2．4 中斷條件變數std：：condition_variable_any上的等待　328

9．2．5 中斷其他阻塞型等待　330

9．2．6 處理中斷　331

9．2．7 在應用程式退出時中斷後台任務　332

9．3 小結　333

第 10章 並行算法函式　335

10．1 並行化的標準庫算法函式　335

10．2 執行策略　336

10．2．1 因指定執行策略而普遍產生的作用　336

10．2．2 std：：execution：：sequenced_policy　337

10．2．3 std：：execution：：parallel_policy　338

10．2．4 std：：execution：：parallel_unsequenced_policy　339

10．3 C++標準庫的並行算法函式　339

10．3．1 並行算法函式的使用範例　342

10．3．2 訪問計數　344

10．4 小結　346

第 11章 多執行緒套用的測試和除錯　347

11．1 與並發相關的錯誤類型　347

11．1．1 多餘的阻塞　348

11．1．2 條件競爭　348

11．2 定位並發相關的錯誤的技法　349

11．2．1 審查代碼並定位潛在錯誤　350

11．2．2 通過測試定位與並發相關的錯誤　352

11．2．3 設計可測試的代碼　353

11．2．4 多執行緒測試技術　355

11．2．5 以特定結構組織多執行緒的測試代碼　357

11．2．6 測試多執行緒代碼的性能　360

11．3 小結360

附錄A C++11精要：部分語言特性　361

A．1 右值引用　361

A．1．1 移動語義　362

A．1．2 右值引用和函式模板　365

A．2 刪除函式　366

A．3 默認函式　368

A．4 常量表達式函式　371

A．4．1 constexpr關鍵字和用戶定義型別　373

A．4．2 constexpr對象　376

A．4．3 constexpr函式要符合的條件　376

A．4．4 constexpr與模板　377

A．5 lambda函式　377

A．6 變參模板　382

A．7 自動推導變數的型別　386

A．8 執行緒局部變數　387

A．9 類模板的參數推導　389

A．10 小結　389

附錄B 各並發程式庫的簡要

對比　391

附錄C 訊息傳遞程式庫和完整

的自動櫃員機範例　393

作者簡介

安東尼·威廉士（Anthony Williams），C++開發人員、顧問、培訓師，英國標準協會C++標準組成員，擁有超過20年的C++開發經驗，獨立編寫或合著了眾多C++標準委員會檔案，為C++11標準引入了執行緒庫，實現了工具“just::thread Pro”（Just Software Solutions公司的產品），並持續致力於開發C++的新特性，以增強C++並發工具集的功能，這兩者都遵循C++標準和提案。