第 18.19 節

併發編程

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本節解決什麼問題

現代計算機通常有多個 CPU 核心。一個程序如果只在一個線程裡順序執行，就無法讓多個耗時任務同時推進。典型場景包括：

  • 一個線程保持界面響應，另一個線程處理後臺任務。
  • 同時等待多個網絡請求、定時器或外設事件。
  • 把可拆分的計算任務分給多個線程。

併發編程的難點不在於"開線程"本身，而在於生命週期和共享數據。只要兩個線程同時讀寫同一份數據，就必須認真處理同步問題。

學習路線

本節拆成幾個文件級子章節來學：

  • std::thread：創建線程，並用 join() 等待結束。
  • std::mutex 和 std::lock_guard：保護共享數據。
  • std::atomic：簡單計數器的無鎖線程安全操作。
  • std::condition_variable：一個線程等待另一個線程發通知。

如果只啟動一個任務，同步和併發的結果可能看起來一樣。差異通常要在"兩個或更多任務同時等待或同時計算"時才明顯。這和 Boost.Asio 中一個定時器看不出異步優勢、兩個定時器才看出區別是同一個道理。

C++ 標準版本

C++11 引入了標準線程庫。C++14、C++17、C++20 又增加了 std::shared_mutex、std::jthread、std::latch、std::barrier 等工具。

本節主要使用 C++11 就有的基礎工具。編譯時通常需要加線程選項，例如：

g++ demo.cpp -std=c++17 -pthread

常用工具

工具作用常見頭文件
std::thread創建和管理線程<thread>
std::this_thread::sleep_for當前線程休眠一段時間<thread>、<chrono>
std::mutex互斥鎖，保護共享數據<mutex>
std::lock_guardRAII 加鎖，作用域結束自動解鎖<mutex>
std::unique_lock更靈活的 RAII 鎖，常配合條件變量<mutex>
std::atomic原子變量，適合簡單計數<atomic>
std::condition_variable等待和通知<condition_variable>

併發和並行

概念含義例子
併發多個任務在同一段時間內推進一個程序同時等待網絡、定時器和用戶輸入
並行多個任務真的同時運行多核 CPU 上多個線程同時計算

初學時先抓住工程直覺：多個任務都要等待外設、網絡、定時器或耗時計算時，讓它們同時推進，程序整體會更快或響應更好。

使用建議

  1. 先保證正確，再考慮性能。
  2. 能不共享數據就不共享數據，每個線程處理自己的數據最簡單。
  3. 共享數據優先用 mutex 保護，簡單計數才考慮 atomic。
  4. 鎖的作用域儘量小，避免長時間持鎖。
  5. 初學階段少用 detach()，優先用 join() 明確等待線程結束。
  6. C++20 項目可以瞭解 std::jthread，它析構時會自動請求停止並 join，比 std::thread 更安全。

工程拓展

在 ROS2 中，多線程回調執行器、回調組和共享狀態保護都會涉及線程與鎖。在 Boost.Asio 中，多個異步任務可能運行在同一個 io_context 或線程池裡，也要考慮回調之間的共享數據。學好 C++ 標準庫併發工具，再看這些工程庫會輕鬆很多。

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