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并发编程
C++11 开始，标准库正式提供线程、互斥量、条件变量、原子操作和异步任务等并发工具。到了 C++17、C++20，又继续增加了 std::scoped_lock、std::shared_mutex、std::jthread、std::stop_token、std::latch、std::barrier、std::semaphore 等能力。
并发编程真正困难的地方并不是“创建一个线程”，而是下面几个问题：
- 线程什么时候开始、什么时候结束，谁负责等待它？
- 线程函数拿到的参数是副本、引用还是指针？对象会不会提前销毁？
- 多个线程同时访问同一份数据时，怎样避免数据竞争？
- 多把锁同时使用时，怎样避免死锁？
- 一个线程没有工作时，怎样高效等待，而不是一直循环占用 CPU？
- 一个任务将在未来产生结果时，怎样取得它的返回值或异常？
- 程序退出时，怎样让后台线程安全停止？
本章按照这些问题逐步展开。
1.并发与并行
| 概念 | 含义 | 典型情况 |
|---|---|---|
| 并发（concurrency） | 多个任务在同一段时间内推进 | 单核 CPU 在多个线程之间切换；程序同时等待多个 IO |
| 并行（parallelism） | 多个任务在同一时刻真正执行 | 多核 CPU 上多个线程同时计算 |
并发是一种程序组织方式，并行是一种实际执行状态。并发程序不一定并行，但并行执行通常建立在并发任务之上。
2.线程安全最先要理解：数据竞争
如果两个线程同时访问同一个内存位置，并且至少有一个线程在写，而这些访问之间又没有正确同步，就可能产生 data race（数据竞争）。
在 C++ 内存模型中，数据竞争通常意味着 未定义行为（undefined behavior），并不是简单的“最后结果偶尔少加几次”。编译器可以在未定义行为前提下做出很多看起来反直觉的优化。
例如：
int counter = 0;
void work()
{
++counter;
}++counter 并不等于“天然不可分割的一条操作”。它通常包含读取、计算和写回。多个线程交错执行时就可能丢失更新。
常见解决方案包括：
- 用
std::mutex保护一段共享状态； - 对简单独立变量使用
std::atomic； - 尽量减少共享可变状态，让每个线程处理自己的数据；
- 需要等待某个条件时使用
std::condition_variable，而不是不断轮询。
3.学习路线
本节拆成以下子章节：
| 顺序 | 章节 | 重点 |
|---|---|---|
| 1 | std::thread |
线程创建、可调用对象、参数传递、join()、detach()、joinable()、移动语义、线程生命周期 |
| 2 | mutex 与 RAII 锁 |
mutex、lock_guard、unique_lock、scoped_lock、死锁、读写锁、一次初始化 |
| 3 | std::atomic |
load/store、原子读改写、CAS、内存序基础、C++20 wait/notify |
| 4 | condition_variable |
等待/通知、谓词、虚假唤醒、超时等待、生产者消费者 |
| 5 | future / async / promise |
异步任务返回值、异常传播、packaged_task、shared_future |
| 6 | jthread / stop_token |
C++20 自动 join、协作式停止、线程退出设计 |
| 7 | semaphore / latch / barrier |
C++20 许可计数、一次性会合、可重复阶段同步 |
建议严格按顺序学习。后面的章节会默认已经理解前面的生命周期、RAII 和同步概念。
4.常用并发工具总览
| 工具 | 标准 | 作用 | 头文件 |
|---|---|---|---|
std::thread |
C++11 | 创建和管理线程 | <thread> |
std::mutex |
C++11 | 互斥访问共享状态 | <mutex> |
std::lock_guard |
C++11 | 简单 RAII 加锁 | <mutex> |
std::unique_lock |
C++11 | 可手动解锁、延迟加锁、可移动的 RAII 锁 | <mutex> |
std::scoped_lock |
C++17 | 同时管理一把或多把锁 | <mutex> |
std::shared_mutex |
C++17 | 多读单写 | <shared_mutex> |
std::condition_variable |
C++11 | 等待共享条件变化 | <condition_variable> |
std::atomic<T> |
C++11 | 对单个对象执行原子操作 | <atomic> |
std::future |
C++11 | 接收未来产生的结果 | <future> |
std::async |
C++11 | 以任务形式异步执行函数 | <future> |
std::promise |
C++11 | 主动向 future 写入结果或异常 |
<future> |
std::packaged_task |
C++11 | 把可调用对象包装成可产生 future 的任务 |
<future> |
std::jthread |
C++20 | 析构时自动请求停止并等待线程结束 | <thread> |
std::stop_token |
C++20 | 协作式停止请求 | <stop_token> |
std::counting_semaphore |
C++20 | 计数信号量 | <semaphore> |
std::latch |
C++20 | 一次性计数同步点 | <latch> |
std::barrier |
C++20 | 可重复阶段同步点 | <barrier> |
后三种 C++20 同步工具在普通业务代码里没有前几项常用，因此应先把核心并发模型学扎实，再按实际需求使用。
5.编译
GCC / Clang 在 Linux 上使用标准线程库时通常需要链接 pthread：
g++ demo.cpp -std=c++20 -pthread -O2 -Wall -Wextra-pthread 不只是简单添加一个库，它还可能影响编译阶段与线程相关的宏和选项，因此通常应直接使用 -pthread。
6.并发代码的基本原则
- 先保证正确，再讨论性能。 一个存在数据竞争的程序即使“跑起来很快”也没有意义。
- 优先减少共享状态。 不共享就不需要同步。
- 锁要由 RAII 对象管理。 除非确有必要，不要手写成对的
lock()/unlock()。 - 锁保护的是不变量，不只是某一行代码。 如果几个成员必须保持一致，应由同一把锁共同保护。
- 不要持锁执行耗时操作。 网络、文件 IO、休眠、大量计算通常应放在临界区外。
- 不要轻易
detach()。 脱离线程很容易制造生命周期问题。 - 线程停止应该有明确协议。 C++20 优先了解
std::jthread+std::stop_token。 atomic不等于“永远无锁”。 它保证操作的原子语义，但具体实现是否 lock-free 与类型和平台有关。
7.推荐掌握程度
学习完本章后，至少应该能够回答：
std::thread t(f, a, b)中第一个参数和后面的参数分别是什么？- 为什么给
T&形参传线程参数时常需要std::ref()？ joinable()到底判断“线程是否还在运行”，还是判断“线程对象是否仍关联执行线程”？- 为什么一个已经执行完函数的
std::thread仍可能joinable() == true？ join()和detach()对线程对象状态有什么影响？- 为什么 joinable 的
std::thread析构会std::terminate()？ lock_guard、unique_lock、scoped_lock分别适合什么场景？- 两把互斥量为什么会产生死锁，怎样避免？
atomic与mutex应该怎样选择？- 为什么条件变量必须围绕“共享状态 + mutex + 谓词”使用？
future和promise分别站在结果通道的哪一端？jthread相比thread解决了哪些生命周期问题？semaphore、latch、barrier分别对应什么同步模式？
如果这些问题能够清楚回答，才算真正掌握了标准库并发基础。