一、并行編程

以下庫支持并行編程模型。

• Boost.Thread 允許您創(chuàng)建和管理自己的線程。
• Boost.Atomic 允許您通過多個(gè)線程的原子操作訪問整數(shù)類型的變量。
• Boost.Lockfree 提供線程安全的容器。
• Boost.MPI 起源于超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。使用 Boost.MPI，您的程序可以多次啟動(dòng)并在多個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行。您專注于對(duì)應(yīng)該并發(fā)執(zhí)行的實(shí)際任務(wù)進(jìn)行編程，而 Boost.MPI 會(huì)協(xié)調(diào)這些過程。使用 Boost.MPI，您無需處理諸如同步訪問共享數(shù)據(jù)之類的細(xì)節(jié)。但是，Boost.MPI 確實(shí)需要適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行時(shí)環(huán)境。

二、生成何管理Threads

????????這個(gè)庫中最重要的類是 boost::thread，它在 boost/thread.hpp 中定義。此類用于創(chuàng)建新線程。示例 44.1 是一個(gè)創(chuàng)建線程的簡單示例。

????????例 44.1。使用 boost::thread

#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/chrono.hpp>
#include <iostream>
void wait(int seconds)
{
  boost::this_thread::sleep_for(boost::chrono::seconds{seconds});
}
void thread()
{
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
  {
    wait(1);
    std::cout << i << '\n';
  }
}
int main()
{
  boost::thread t{thread};
  t.join();
}

????????新線程應(yīng)該執(zhí)行的函數(shù)的名稱被傳遞給 boost::thread 的構(gòu)造函數(shù)。一旦示例 44.1 中的變量 t 被創(chuàng)建，函數(shù) thread() 立即開始在它自己的線程中執(zhí)行。此時(shí)，thread() 與 main() 函數(shù)同時(shí)執(zhí)行。

????????為了防止程序終止，在新創(chuàng)建的線程上調(diào)用 join()。 join() 阻塞當(dāng)前線程，直到為其調(diào)用 join() 的線程終止。這會(huì)導(dǎo)致 main() 等待直到 thread() 返回。

????????可以使用變量訪問特定線程 - 在本示例中為 t t - 以等待其終止。但是，即使 t 超出范圍并被銷毀，線程仍將繼續(xù)執(zhí)行。線程一開始總是綁定到 boost::thread 類型的變量，但一旦創(chuàng)建，線程就不再依賴于該變量。甚至還有一個(gè)名為 detach() 的成員函數(shù)，它允許類型為 boost::thread 的變量與其對(duì)應(yīng)的線程分離。不可能在調(diào)用 detach() 之后調(diào)用像 join() 這樣的成員函數(shù)，因?yàn)榉蛛x的變量不再代表有效的線程。

????????任何可以在函數(shù)內(nèi)完成的事情也可以在線程內(nèi)完成。歸根結(jié)底，線程與函數(shù)沒有什么不同，只是它與另一個(gè)函數(shù)并發(fā)執(zhí)行。在例 44.1 中，循環(huán)中將五個(gè)數(shù)字寫入標(biāo)準(zhǔn)輸出流。為了減慢輸出速度，循環(huán)的每次迭代都會(huì)調(diào)用 wait() 函數(shù)來暫停一秒鐘。 wait() 使用函數(shù) sleep_for() ，它也由 Boost.Thread 提供并位于命名空間 boost::this_thread 中。

????????sleep_for() 需要一個(gè)時(shí)間段作為其唯一參數(shù)，該時(shí)間段指示當(dāng)前線程應(yīng)該停止多長時(shí)間。通過傳遞類型為 boost::chrono::seconds 的對(duì)象，可以設(shè)置一段時(shí)間。 boost::chrono::seconds 來自第 37 章介紹的 Boost.Chrono。

????????sleep_for() 只接受來自 Boost.Chrono 的類型。盡管 Boost.Chrono 已成為 C++11 標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，但來自 std::chrono 的類型不能與 Boost.Thread 一起使用。這樣做會(huì)導(dǎo)致編譯器錯(cuò)誤。

????????如果您不想在 main() 結(jié)束時(shí)調(diào)用 join()，您可以使用類 boost::scoped_thread。

????????示例 44.2。使用 boost::scoped_thread 等待線程

#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/thread/scoped_thread.hpp>
#include <boost/chrono.hpp>
#include <iostream>
void wait(int seconds)
{
  boost::this_thread::sleep_for(boost::chrono::seconds{seconds});
}
void thread()
{
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
  {
    wait(1);
    std::cout << i << '\n';
  }
}
int main()
{
  boost::scoped_thread<> t{boost::thread{thread}};
}

????????boost::scoped_thread 的構(gòu)造函數(shù)需要一個(gè) boost::thread 類型的對(duì)象。在 boost::scoped_thread 的析構(gòu)函數(shù)中，一個(gè)動(dòng)作可以訪問該對(duì)象。默認(rèn)情況下，boost::scoped_thread 使用在線程上調(diào)用 join() 的操作。因此，示例 44.2 的工作方式類似于示例 44.1。

????????您可以將用戶定義的操作作為模板參數(shù)傳遞。該操作必須是一個(gè)帶有運(yùn)算符 operator() 的類，該運(yùn)算符接受 boost::thread 類型的對(duì)象。 boost::scoped_thread 保證運(yùn)算符將在析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用。

????????您只能在 Boost.Thread 中找到類 boost::scoped_thread。標(biāo)準(zhǔn)庫中沒有對(duì)應(yīng)的。確保包含 boost::scoped_thread 的頭文件 boost/thread/scoped_thread.hpp。

????????示例 44.3 引入了中斷點(diǎn)，這使得中斷線程成為可能。中斷點(diǎn)僅由 Boost.Thread 支持，標(biāo)準(zhǔn)庫不支持。

????????示例 44.3。 boost::this_thread::sleep_for() 的中斷點(diǎn)

#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/chrono.hpp>
#include <iostream>
void wait(int seconds)
{
  boost::this_thread::sleep_for(boost::chrono::seconds{seconds});
}
void thread()
{
  try
  {
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
      wait(1);
      std::cout << i << '\n';
    }
  }
  catch (boost::thread_interrupted&) {}
}
int main()
{
  boost::thread t{thread};
  wait(3);
  t.interrupt();
  t.join();
}

????????在線程對(duì)象上調(diào)用 interrupt() 會(huì)中斷相應(yīng)的線程。在此上下文中，中斷意味著在線程中拋出類型為 boost::thread_interrupted 的異常。但是，這僅在線程到達(dá)中斷點(diǎn)時(shí)發(fā)生。

????????如果給定的線程不包含中斷點(diǎn)，則簡單地調(diào)用 interrupt() 不會(huì)有任何效果。每當(dāng)線程到達(dá)中斷點(diǎn)時(shí)，它都會(huì)檢查是否已調(diào)用 interrupt()。如果它已被調(diào)用，將拋出 boost::thread_interrupted 類型的異常。

????????Boost.Thread 定義了一系列中斷點(diǎn)，例如 sleep_for() 函數(shù)。因?yàn)樵谑纠?44.3 中 sleep_for() 被調(diào)用了五次，線程檢查了五次它是否被中斷。在對(duì) sleep_for() 的調(diào)用之間，線程不能被中斷。

????????示例 44.3 沒有顯示五個(gè)數(shù)字，因?yàn)樵?main() 中三秒后調(diào)用了 interrupt()。因此，相應(yīng)的線程被中斷并拋出 boost::thread_interrupted 異常。即使捕獲處理程序?yàn)榭?，異常也?huì)在線程內(nèi)被正確捕獲。因?yàn)?thread() 函數(shù)在處理程序之后返回，所以線程也會(huì)終止。反過來，這將導(dǎo)致程序終止，因?yàn)?main() 正在等待線程終止。

????????Boost.Thread 定義了大約十五個(gè)中斷點(diǎn)，包括 sleep_for()。這些中斷點(diǎn)使得及時(shí)中斷線程變得容易。然而，中斷點(diǎn)可能并不總是最好的選擇，因?yàn)樗鼈儽仨氃诰€程可以檢查 boost::thread_interrupted 異常之前到達(dá)。

????????示例 44.4。使用 disable_interruption 禁用中斷點(diǎn)

#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/chrono.hpp>
#include <iostream>
void wait(int seconds)
{
  boost::this_thread::sleep_for(boost::chrono::seconds{seconds});
}
void thread()
{
  boost::this_thread::disable_interruption no_interruption;
  try
  {
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
      wait(1);
      std::cout << i << '\n';
    }
  }
  catch (boost::thread_interrupted&) {}
}
int main()
{
  boost::thread t{thread};
  wait(3);
  t.interrupt();
  t.join();
}

????????類 boost::this_thread::disable_interruption 防止線程被中斷。如果實(shí)例化 boost::this_thread::disable_interruption，只要對(duì)象存在，線程中的中斷點(diǎn)就會(huì)被禁用。因此，示例 44.4 顯示了五個(gè)數(shù)字，因?yàn)橹袛嗑€程的嘗試被忽略了。

????????示例 44.5。使用 boost::thread::attributes 設(shè)置線程屬性

#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/chrono.hpp>
#include <iostream>
void wait(int seconds)
{
  boost::this_thread::sleep_for(boost::chrono::seconds{seconds});
}
void thread()
{
  try
  {
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
      wait(1);
      std::cout << i << '\n';
    }
  }
  catch (boost::thread_interrupted&) {}
}
int main()
{
  boost::thread::attributes attrs;
  attrs.set_stack_size(1024);
  boost::thread t{attrs, thread};
  t.join();
}

boost::thread::attributes 用于設(shè)置線程屬性。在 1.56.0 版本中，您只能設(shè)置一個(gè)與平臺(tái)無關(guān)的屬性，即堆棧大小。在示例 44.5 中，堆棧大小由 boost::thread::attributes::set_stack_size() 設(shè)置為 1024 字節(jié)。

示例 44.6。檢測線程 ID 和可用處理器的數(shù)量

#include <boost/thread.hpp>
#include <iostream>
int main()
{
  std::cout << boost::this_thread::get_id() << '\n';
  std::cout << boost::thread::hardware_concurrency() << '\n';
}

????????在命名空間 boost::this_thread 中，定義了適用于當(dāng)前線程的獨(dú)立函數(shù)。其中一個(gè)函數(shù)是我們之前見過的 sleep_for()。另一個(gè)是 get_id()，它返回一個(gè)數(shù)字以唯一標(biāo)識(shí)當(dāng)前線程（參見示例 44.6）。 get_id() 也作為類 boost::thread 的成員函數(shù)提供。

????????靜態(tài)成員函數(shù) boost::thread::hardware_concurrency() 返回物理上可以同時(shí)執(zhí)行的線程數(shù)，基于 CPU 或 CPU 內(nèi)核的基礎(chǔ)數(shù)量。在雙核處理器上調(diào)用此函數(shù)返回值 2。此函數(shù)提供了一種簡單的方法來確定理論上應(yīng)該使用的最大線程數(shù)。

????????Boost.Thread 還提供類 boost::thread_group 來管理組中的線程。此類提供的一個(gè)函數(shù)是成員函數(shù) join_all()，它等待組中的所有線程終止。

練習(xí)

使用兩個(gè)線程計(jì)算在 for 循環(huán)中相加的所有數(shù)字的總和：

#include <boost/timer/timer.hpp>
#include <iostream>
#include <cstdint>
int main()
{
    boost::timer::cpu_timer timer;
    std::uint64_t total = 0;
    for (int i = 0; i < 1'000'000'000; ++i)
        total += i;
    std::cout << timer.format();
    std::cout << total << '\n';
}

概括該程序，使其使用盡可能多的線程，可以在計(jì)算機(jī)上并發(fā)執(zhí)行。例如，如果程序在具有四核 CPU 的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，??則該程序應(yīng)該使用四個(gè)線程。