本章介绍了 C++11 引入的并发 API，重点讲解了基于任务的编程模型、线程管理、以及线程间通信的最佳实践。

条款三十五：优先考虑基于任务的编程而非基于线程的编程

推荐使用 std::async（基于任务）而非 std::thread（基于线程）。

  • 基于线程 (std::thread) 的问题：

    • 无法直接获取返回值：如果异步任务有返回值，std::thread 没有直接机制获取，通常需要全局变量或复杂的同步机制。

    • 异常处理困难：如果线程函数抛出异常，std::terminate 会被调用，导致程序崩溃，难以捕获异常。

    • 资源管理复杂：需手动管理线程耗尽、资源超额（oversubscription）和负载均衡问题。

  • 基于任务 (std::async) 的优势：

    • 自动获取返回值和异常：返回的 std::future 提供了 get() 函数，既可以获取返回值，也可以重新抛出任务中发生的异常。

    • 抽象层次更高：将线程管理的细节交给标准库。标准库可以根据系统负载决定是创建新线程还是利用现有线程（甚至推迟执行），从而避免资源超额。

  • 适用场景：绝大多数情况下首选 std::async。仅当需要访问底层线程 API（如设置优先级）、极度优化线程使用或实现自定义线程池时才使用 std::thread。

条款三十六：如果有异步的必要请指定 std::launch::async

std::async 的默认启动策略可能不符合预期。

  • 默认策略：std::launch::async | std::launch::deferred。这意味着运行时系统可以自由选择是异步执行（创建新线程）还是延迟执行（在调用 get 或 wait 时在当前线程执行）。

  • 潜在风险：

    • 无法保证并发：如果系统选择延迟执行，任务将不会并发运行。

    • 线程本地存储 (TLS) 不确定性：任务可能在当前线程或新线程运行，导致 TLS 访问变得不可预测。

    • wait_for 超时陷阱：对于延迟执行的任务，wait_for 会返回 std::future_status::deferred，如果循环等待 ready 状态，会导致无限循环。

  • 建议：如果任务必须异步执行，请显式指定 std::launch::async 策略。

条款三十七：使 std::thread 在所有路径最后都不可结合

std::thread 的析构行为极其严格，必须小心处理。

  • 可结合性 (Joinability)：正在运行或已执行完但未 join/detach 的线程是可结合的。

  • 析构陷阱：如果 std::thread 对象在销毁时仍处于可结合状态，程序会调用 std::terminate 终止。

  • 解决方案：必须确保在所有路径（包括异常路径）上，std::thread 变为不可结合（调用 join 或 detach）。

  • RAII 封装：使用 RAII 类（如自定义的 ThreadRAII 或 C++20 的 std::jthread）在析构函数中自动处理 join 或 detach。通常建议析构时调用 join 以避免后台线程访问已销毁的局部变量。

条款三十八：关注不同线程句柄的析构行为

std::future 的析构行为有时会阻塞，有时不会。

  • 正常行为：销毁 std::future 只是释放对共享状态的引用，不阻塞。

  • 例外行为（隐式 join）：当且仅当满足以下三个条件时，std::future 的析构函数会阻塞等待任务完成：

    1. 关联的共享状态由 std::async 创建。

    2. 任务启动策略是 std::launch::async。

    3. 该 future 是最后一个引用共享状态的 future。

  • 其他情况：来自 std::packaged_task 或 std::promise 的 future 析构时绝不阻塞。

条款三十九：对于一次性事件通信考虑使用 void 的 futures

线程间通信有多种方式，对于一次性事件通知，void future 是一个优雅的选择。

  • 条件变量 (std::condition_variable)：适合重复通知，但需要互斥锁，容易出现虚假唤醒，且如果在 wait 之前 notify 会导致信号丢失。

  • 标志位 (std::atomic<bool>)：避免了互斥锁，但接收方需要轮询（浪费 CPU）。

  • Void Future (std::promise<void> + std::future<void>)：

    • 机制：检测方调用 promise::set_value()，反应方调用 future::wait()。

    • 优势：无须互斥锁，无轮询开销，无虚假唤醒，且信号不会丢失（无论 set_value 在 wait 之前还是之后调用都有效）。

    • 限制：是一次性的，只能通信一次。会有共享状态的堆内存分配开销。

    • 典型应用：让线程在创建后挂起，直到主线程完成配置（如设置优先级）后再启动。

条款四十：对于并发使用 std::atomic，对于特殊内存使用 volatile

澄清 volatile 和 std::atomic 的区别。

  • std::atomic：

    • 用途：多线程并发编程。

    • 保证：提供原子性（操作不可分割）和顺序一致性（限制指令重排），防止数据竞争。

  • volatile：

    • 用途：访问特殊内存（如内存映射 I/O）。

    • 保证：防止编译器优化掉对该变量的读写操作。

    • 局限：不保证原子性，也不保证线程间的内存顺序（非线程安全），因此不能用于并发同步。

  • 结合使用：volatile std::atomic<int> 可用于并发访问内存映射 I/O 的场景。