C++并发编程：最佳实践与数据结构

背景简介

在多线程编程的世界里，C++提供了一套丰富的并发控制工具，以便开发者能够编写出高效、安全的并发程序。本文将基于书籍内容，探讨在C++中实现并发编程的一些最佳实践和关键概念，以及并发数据结构的设计与实现。

Notification with Promise and Future

在C++中， std::promise 和 std::future 是处理异步操作的两种常用工具，它们可以简化线程间的通知和数据传递流程。通过 promise.set_value() 发送通知，而 future.wait() 则负责等待这个通知，从而避免了锁和互斥量的使用，减少了线程同步的复杂性。

#include 
#include 

void waitingForWork(std::future&& fut){
    fut.wait();
    // do the work
}

void setDataReady(std::promise&& prom){
    prom.set_value();
}

int main(){
    std::promise sendReady;
    auto fut = sendReady.get_future();

    std::thread t1(waitingForWork, std::move(fut));
    std::thread t2(setDataReady, std::move(sendReady));

    t1.join();
    t2.join();
}

Promises and Futures

使用 std::promise 和 std::future 可以作为线程或条件变量的易用替代品，尤其是在需要异步任务执行时。书中建议，如果可能，应优先使用 std::async ，因为它提供了更高级别的抽象，让程序员无需关心任务执行的具体细节。

Memory Model

在多线程编程中，一个定义良好的内存模型是基础。了解内存模型有助于深入理解多线程挑战。书中明确指出，在C++中， volatile 关键字并不用于多线程同步，而无锁编程则应该避免，除非在必要时使用已验证的模式。

Lock-Free Programming

无锁编程是一个高度复杂的领域，通常不推荐新手尝试。即使在面对性能瓶颈时，也应优先考虑使用标准库提供的线程安全容器，或者如Boost.Lockfree等成熟库来管理复杂的数据结构。

General Considerations in Concurrent Data Structures

设计并发数据结构时，需要考虑多个因素，如锁定策略、接口粒度、典型使用模式等。设计者应该选择合适的锁定策略，避免接口过于复杂，以及避免将数据结构内部细节暴露给客户端，从而确保数据安全。

总结与启发

通过对书籍章节内容的探讨，我们可以得出结论：在C++中编写高效的并发程序需要深入理解语言提供的并发工具和内存模型。最佳实践包括合理使用 std::async 和 promise / future 对，以及在必要时利用成熟的库来避免无锁编程带来的风险。设计并发数据结构时，考虑整体架构和使用模式，选择合适的同步机制至关重要。

参考文献

• The Art of Multiprocessing Programming, Maurice Herlihy and Nir Shavit
• C++ Concurrency in Action, Anthony Williams

通过这些最佳实践和设计考虑，我们可以构建出更加健壮和高效的并发程序，同时避免许多常见的并发编程陷阱。