C++多工程式設計簡明教程 (1) – C++的多工其實很簡單

用庫的方式無法實現徹底的執行緒安全！我們需要C++11

與很多同學交流的時候發現，一想到用C++寫多執行緒，還是想到pthread這樣的庫的方法實現。
但是，十幾年前的研究就證明了，執行緒安全是無法用庫的形勢來提供的，有興趣的同學可以參見原文：
http://www.hpl.hp.com/techreports/2004/HPL-2004-209.pdf
解釋需要大量的篇幅，作為快餐式的教程，我們只講結論。

十幾年過去了，CPU的亂序執行，編譯器的亂序優化，使得通過pthread一樣的庫實現執行緒安全越來越困難。即使做到了，也是以犧牲效能為代價換來的。
我們以java為例，雖然在java 1.0中就支援多執行緒了。但是，真正完整的執行緒安全的基礎設施的完成是在java 5.0版本中才實現的。這其中最重要的一點，就是java 5.0明確定義了記憶體模型。有了記憶體模型的保證，我們才真正知道，什麼是可行的，什麼是不可行的。如何定義才能在多執行緒中實在可見性。
在有較大影響的語言中，java是率先達到了這一目標的。C++在當時基本上沒有為多執行緒或者多工做過考慮，這個問題直到C++11中才被解決掉。

所以，至少對於多執行緒程式設計來講，C++11是必須要學習的。我們不能再停留在C++98/03的老黃曆上了!
所幸的是，對於最基本的C++11多工程式設計來講，比起完整學會pthread這樣的庫還要容易.

多工優於多執行緒

然後，我們從C++11的執行緒開始講？不，我寧願把整個記憶體模型講完了之後才教您如何使用執行緒，就怕學完了執行緒沒學記憶體模型就上手直接開始用了，導致遇到問題之後才知道記憶體模型的重要性。

但是，這還不是我最想講的，為什麼要學執行緒和記憶體模型呢？大部分的任務，我們根本不需要了解什麼是執行緒，什麼是鎖，更不用說無鎖程式設計之類的了。看過我的《Java多執行緒程式設計簡明教程(1) – Future模式與AsyncTask》都知道，如果有更簡單、更高階的封裝，我是不建議先學更低階的工具的。

為什麼需要多執行緒？其實很多同學沒有意識到，需要的只是多工，執行緒只是手段。執行緒是作業系統級的概念，是作業系統級的資源，我們要管理到這麼細節，就得去處理比如管理執行緒狀態，處理執行緒數滿了的異常，如何做執行緒的負載均衡之類的管理工作，而這些根業務邏輯之間沒有半毛錢關係。

從java的發展來看，5.0提供了Future模式，7.0中提供了Fork-Join模式，封裝得越來越高階。C++11中暫時還沒有到Fork-Join這麼高階，不過，直接呼叫一個std::async函式就可以實現Future模式.

所謂的Future模式，就是在後臺起一個任務，然後前臺該幹嘛幹嘛，等到前臺任務需要用到剛才的後臺任務的時候，再去獲取後臺任務的結果。如果後臺任務已經結束了，自然是最好，繼續幹活就是了。即使後臺還沒做完，至少也能少等一會兒。不管怎麼樣都不賠。

std::async 快餐

C++11如何去做一個後臺任務呢，實在太簡單了，寫個函式，或者仿函式，或者是lambda表示式這樣可以被呼叫的邏輯，然後通過std:async去呼叫就是了。

唯一需要注意的一點，future模式不允許共享記憶體，複製一份只讀的通過引數傳給你的函式吧。

太簡單了，一共就只需要4步：

• 引入標頭檔案
• 寫需要後臺執行功能的函式
• 通過async函式呼叫上面寫的函式
• 主任務繼續幹活
• 需要後臺任務的結果時，去讀它的返回值

引入future標頭檔案

#include <future>

實現功能的函式

將後臺要做事兒的邏輯寫成一個函式吧，這裡寫個最簡單的：

void func1(int arg){
    cout<<"I am running in background!"<<arg<<endl;
}

通過async呼叫您的邏輯

    future<void> f1 = async(launch::async,func1,0);

大家可以看到，async有多麼的簡單，第一個引數是馬上就啟動後臺任務，還是用的時候再啟動。我們一般都是希望馬上啟動，於是固定地給launch::async就好了。真的有特殊需求要用的時候再啟動，就給launch::deferred。只有這兩種情況，簡單吧？
第二個引數就是剛才寫好的後臺邏輯的函式。第三個是您的函式要用的引數。

返回一個future，型別與剛才您寫的函式的返回值一致。這時候不需要知道它是什麼。

甚至有個更絕情的辦法，我們根本不care返回值是什麼，直接給個auto讓編譯器自己推斷去。
像下面這樣：

    auto f1 = async(launch::async,func1,0);

不需要懂任何跟執行緒相關的知識吧？

主任務繼續幹活

這個就不多說了，既然要起後臺任務，前臺肯定有事兒要做。

獲取後臺的值

到了需要返回值的時候，直接呼叫get函式。本例中是void型別，所以返回值獲取了我們也不用。

    f1.get();

OK，我們的快餐教程就講完了，不需要懂什麼是執行緒，什麼是鎖，什麼是記憶體模型，原子變數是什麼，記憶體都有什麼順序之類的。大家可以快樂地去幹活去了~ 等將來我們詳詳細細地把剛才列舉的這些知識一一補齊，大家就會發現這其實是有多複雜了。

例子

Java歷史上借鑑了太多的C++的東西，但是記憶體模型和Future模式這些，Java是領先於C++的。
那我們向Java致敬吧，將Java多執行緒簡明教程中Future模式的例子用C++改寫一下。我們看看C++的優勢吧：

public class AsyncTaskSimple {
    public static class Result implements Callable<String>{
        @Override
        public String call() throws Exception {
            return doRealLogic();
        }

        private String doRealLogic(){
            //Here to do the background logic
            return new String("Done");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new Result());
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        executor.submit(future);
        someThingToDo();
        try {
            String s = future.get();
            System.out.println("The result is:"+s);
        }catch (InterruptedException e){
            //Deal with InterruptedExcpeiotn
        }catch(ExecutionException ee){
            //Deal with ExecutionException
        }
    }

    private static void someThingToDo(){
        //Main thread logic
    }
}

Java寫了這麼一大坨，C++11只用不到一半的篇幅就搞定了：

string doRealLogic(){
    return string("Done");
}
void someThingToDo(){
    //do something
}
int main(int argc, char** argv)
{
    auto f2 = async(launch::async,doRealLogic);
    someThingToDo();
    cout<<f2.get()<<endl;
}

或者我們更現代一點，也不要寫函式了，直接上一個lambda表示式吧。

void someThingToDo(){
    //do something
}
int main(int argc, char** argv)
{
    auto f2 = async(launch::async,[](){
        return string("Done");
    });
    someThingToDo();
    cout<<f2.get()<<endl;
}

最後再強調一遍，輸出引數通過函式引數傳進去，輸出引數通過返回值，也就是future.get獲取回來。不要使用全域性變數等方式來共享記憶體！

Enjoy it!