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Modern Effective C++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

news 来源：原创 2025/5/13 8:32:08

C++中开发者可以通过两种主要方式异步执行一个函数，如doAsyncWork()。这两种方法分别是基于线程(thread-based)和基于任务(task-based)的方式。

基于线程的方式

使用std::thread创建一个新的线程来执行doAsyncWork()函数，直接且直观，但也有其局限性。

int doAsyncWork();
std::thread t(doAsyncWork);

（1）资源管理：开发者需要负责线程的生命周期管理，确保线程正确地启动、运行和结束。

（2）返回值处理：如果doAsyncWork有返回值或需要处理结果，基于线程的方法并不直接支持这一点。必须通过额外的机制（例如共享变量、管道等）来传递结果，增加复杂性。

（3）异常处理：如果doAsyncWork抛出异常，线程会调用std::terminate终止整个程序，除非在线程内部捕获了异常。

基于任务的方式

使用std::async将doAsyncWork作为任务提交，自动处理任务的调度和执行，并返回一个std::future对象用于获取任务的结果。

auto fut = std::async(doAsyncWork); // "fut"表示"future"

（1）简化代码：相比基于线程的方法，std::async的语法更简洁，减少了代码量。

（2）方便获取返回值：std::future提供了get方法，可以直接获取异步操作的结果或处理异常，而无需额外的同步机制。

（3）内置异常处理：如果任务抛出了未捕获的异常，get方法调用时会重新抛出该异常，允许调用者以受控方式处理异常，而不是直接导致程序崩溃。

选择哪种方式？

基于任务的方法通常优于基于线程的方法，尤其是在需要处理返回值或可能发生的异常的情况下。std::async简化了异步编程模型，提高代码的可读性和维护性。然而对于一些特定的应用场景，比如需要对线程进行细粒度控制时，基于线程的方法可能仍然是必要的。

在C++并发编程，基于线程和基于任务的方式有本质的区别。"Thread”的三种含义

（1）硬件线程(Hardware Threads)

物理CPU核心上实际执行计算的能力。现代计算机架构通常为每个CPU核心提供一个或多个硬件线程，以支持并行处理。

（2）软件线程(software threads)或系统线程(OS Threads)

由操作系统管理,在硬件线程上运行的任务单元。操作系统可以调度更多的软件线程，超过硬件线程的数量，以便当某些线程被阻塞时(例如等待I/O操作完成),其他线程可以继续执行,从而提高整体吞吐量。

（3）std::thread对象

这是C++标准库提供的类，作为软件线程的句柄。它可以代表一个正在运行的软件线程，也可以是未关联任何线程的空句柄（如默认构造的std::thread）。通过std::thread，我们可以启动、暂停、等待线程结束或分离线程。

线程资源的限制

（1）线程限额：操作系统能够支持的线程数量是有限的。如果尝试创建超出这个限额的线程，会抛出std::system_error异常。即使函数本身声明为noexcept，也不能避免这种情况发生。

（2）资源超额：当准备运行的软件线程数超过了可用硬件线程的数量时，就会出现资源超额的情况。这会导致操作系统频繁地进行上下文切换，增加调度开销，降低效率。此外，由于不同的软件线程可能在不同的硬件线程间迁移，导致缓存不友好，影响性能。

设计良好并发软件需要考虑以下策略：

线程池（Thread Pool）：使用线程池来重用一组固定的线程，而不是为每个任务创建新的线程。这有助于控制线程数量，减少上下文切换和初始化开销。

任务调度（Task Scheduling）：采用更高级别的任务调度机制，比如使用std::async或第三方库，它们可以根据当前系统的负载动态调整任务的分配，确保高效的资源利用。

异步I/O和非阻塞操作：尽量使用异步I/O和非阻塞API，减少线程因等待外部资源而阻塞的可能性，从而提高并发性。

使用std::async的优势

std::async提供了一种更高级别的抽象，将线程管理的责任交给了标准库的开发者。

（1）简化线程管理：开发者不再需要直接处理线程创建、销毁等细节问题。

（2）减少资源超额的风险：std::async默认启动策略并不保证会立即创建新的线程，而是允许调度器根据系统资源情况灵活决定任务的执行方式。例如，在资源紧张时，它可以选择在等待结果的线程上执行任务，而不是开启新线程。

（3）提高负载均衡：运行时调度程序对整个系统的执行过程有更全面的理解，能够更好地处理负载不均衡的问题。

（4）利用先进的调度技术：最前沿的线程调度器采用系统级线程池和工作窃取算法来优化资源利用和跨核心负载均衡。

适用场景与局限性

访问底层线程API：当需要使用非常基础的线程功能或操作系统级别的特性（如线程优先级、亲和性等)，std::thread提供的native_handle成员函数可以直接访问底层API，而std::future不具备这种能力。

优化线程使用：对于已知执行概况的应用程序（如服务器软件），如果部署环境固定且作为唯一关键进程，可能更适合直接管理线程以实现最优性能。

实现特殊线程技术：当需要使用C++并发API之外的技术（如未被支持的平台上的线程池）时，std::thread提供了更大的灵活性。

工作窃取算法

任务分割:一个大的任务被分割成若干个互不依赖的小任务，这些小任务可以独立地并行执行。

队列分配:每个工作线程拥有自己的双端队列（deque），用来存储待处理的任务。线程通常会从自己队列的头部（front）获取任务执行。

任务窃取:当某个线程完成了自己队列中的所有任务而变得空闲时，它可以尝试从其他线程队列的尾部(back)窃取任务来执行。这样可以避免直接竞争同一个队列的头部位置，从而降低锁争用的可能性。

双端队列的作用:使用双端队列的原因是为了让原线程可以从一端高效地添加和移除任务（通常是从前端），同时允许其他线程从另一端安全地窃取任务而不引起冲突。