第29章 继续前行

您学习了C++编程的基本知识。事实上，您已经知道使用标准模板库（STL）、模板和标准库有助于编写高效而紧凑的代码了。现在该考虑考虑性能，并了解最佳编程实践了。

在本章中，您将学习：

• 当今的处理器有何不同；

• C++应用程序如何充分利用处理器的功能；

• 线程和多线程技术；

• C++编程最佳实践；

• 利用其他资源提高C++技能。

29.1 当今的处理器有何不同

就在不久前，计算机还通过利用处理速度更快的处理器来提高速度；处理速度的度量单位为赫兹（Hz）、兆赫（MHz）或吉赫（GHz）。例如，Intel 8086（如图 29.1所示）是 1978年发布的一款 16位微处理器，时钟频率大约为10MHz。

那时候，处理器的速度得到了极大的提高，C++应用程序的速度也得到了极大的提高。当时大家都采取伺机而动的策略，利用改进的硬件性能来提高软件的响应速度。虽然当今的处理器越来越快，但真正的创新在于处理器包含的内核数。编写本书期间，Intel正销售一款64位微处理器，它内嵌6个3.2GHz内核，如图29.2所示；当前的发展趋势时，内核数量将不断增多。事实上，智能手机都装备了多核处理器。

图29.1 Intel8086微处理器

图29.2 Intel多核处理器

可将多核处理器视为一块包含多个处理器的芯片。这些处理器并行地运行，每个处理器都有独立的一级缓存，能够彼此独立地工作。

处理器速度越快，应用程序的性能越高，这合乎逻辑。多核处理器对应用程序性能有何帮助呢？显然，每个内核都能并行地运行应用程序，但这并不能提高应用程序的速度。本书前面介绍的 C++应用程序都是单线程的，不能充分利用多核处理能力。这些应用程序运行在一个线程中，因此只能利用一个内核，如图29.3所示。

图29.3 多核处理器中的单线程应用程序

如果应用程序依次执行所有的任务，操作系统（OS）分配给它的时间可能与队列中的其他应用程序一样多，而且它只占用处理器的一个内核。换句话说，在多核处理器中，这种应用程序的运行方式与多年前没什么不同。

29.2 如何更好地利用多个内核

关键在于创建多线程应用程序。所有的线程都并行地运行，操作系统可让它们在多个内核中运行。详细讨论线程和多线程技术超出了本书的范围，这里只简要地介绍这个主题，让您对高性能编程有大致认识。

29.2.1 线程是什么

应用程序代码总是运行在线程中。线程是一个同步执行实体，其中的语句依次执行。可将 main()的代码视为在应用程序的主线程中执行。在这个主线程中，可以创建并行运行的线程。如果应用程序除主线程外，还包含一个或多个并行运行的线程，则被称为多线程应用程序。

线程的创建方式由操作系统决定，您可直接调用操作系统提供的API来创建线程。

C++11规定由线程函数负责为您调用操作系统 API，这提高了多线程应用程序的可移植性。

如果您编写的应用程序将在特定操作系统上运行，请了解该操作系统提供的用于编写多线程应用程序的API。

创建线程的方式随操作系统而异，C++11在头文件<thread>中提供了std::thread，它隐藏了与平台相关的细节。

编写本书时，主要编译器对这种功能的支持都不太完美。如果您针对特定平台编写应用程序，最好只使用针对该操作系统的线程函数。

编写C++应用程序时，如果您希望其中的线程是可移植的，请务必了解Boost线程库，其网址为www.boost.org。

29.2.2 为何要编写多线程应用程序

使用多线程技术的应用程序并行地执行特定任务的多个会话（session）。假设有 10000 名用户在Amazon购物，您是其中的一员。Amazon的Web服务器当然不会其他9999位用户都等待，而是创建多个同时为用户服务的线程。如果该 Web 服务器运行在多核处理器上（我敢打赌，肯定是这样），这些线程将能够充分利用内核，向用户提供最佳的性能。

另一个常见的多线程示例是，与用户交互（例如，通过进度条）的同时做其他工作的应用程序。这样的应用程序通常包含用户界面线程和工作线程，其中前者负责显示和更新用户界面以及接受用户输入，而后者在后台完成其任务。磁盘碎片整理工具就是一个这样的应用程序。用户单击“开始”按钮后，将创建一个工作线程，负责扫描和整理磁盘碎片；与此同时，用户界面线程将显示进度，并提供取消碎片整理的选项。为让用户界面线程显示进度，整理碎片的工作线程需要定期地提供进度；同样，为让工作线程在用户撤销时停止工作，用户界面线程需要提供这种信息。

多线程应用程序常常要求线程彼此通信，这样应用程序才能成为一个整体，而不是一系列互不关心、各自为政的线程。

另外，顺序也很重要，您不希望用户界面线程在负责整理碎片的工作线程之前结束。在有些情况下，一个线程需要等待另一个线程。例如，读取数据库的线程应等待写入数据库的线程结束。让一个线程等待另一个线程被称为线程同步。

29.2.3 线程如何交换数据

线程可共享变量，可访问全局数据。创建线程时，可给它提供一个指向共享对象（结构或类）的指针，如图29.4所示。

图29.4 工作线程和用户界面线程共享数据

线程将数据写入其他线程能够存取的内存单元，这让线程能够共享数据，从而彼此进行通信。在磁盘碎片整理工具中，工作线程知道进度，而用户界面线程需要获悉这种信息；工作线程定期地存储进度（用整数表示的百分比），而用户界面线程可使用它来显示进度。

这种情形非常简单：一个线程创建信息，另一个线程使用它。如果多个线程读写相同的内存单元，结果将如何呢？有些线程开始读取数据时，其他线程可能还未结束写入操作，这将给数据的完整性带来威胁。

这就是需要同步线程的原因所在。

29.2.4 使用互斥量和信号量同步线程

线程是操作系统级实体，而用来同步线程的对象也是操作系统提供的。大多数操作系统都提供了信号量（semaphore）和互斥量（mutex），供您用来同步线程。

互斥量通常用于避免多个线程同时访问同一段代码。换句话说，互斥量指定了一段代码，其他线程要执行它，必须等待当前执行它的线程结束并释放该互斥量。接下来，下一个线程获取该互斥量，完成其工作，并释放该互斥量。

通过使用信号量，可指定多少个线程可同时执行某个代码段。只允许一个线程访问的信号量被称为二值信号量（binary semaphore）。

除这些同步对象外，可能还有其他同步对象可供使用，这取决于您使用的操作系统。例如，Windows支持临界区，临界区指定了不允许多个线程同时执行的代码。

29.2.5 多线程技术带来的问题

要使用多线程技术，必须妥善地同步线程，否则，您将有大量的无眠之夜。多线程应用程序面临的问题很多，下面是最常见的两个。

• 竞争状态：多个线程试图写入同一项数据。哪个线程获胜？该对象处于什么状态？

• 死锁：两个线程彼此等待对方结束，导致它们都处于“等待”状态，而应用程序被挂起。

妥善地同步可避免竞争状态。一般而言，线程被允许写入共享对象时，您必须格外小心，确保：

• 每次只能有一个线程写入；

• 在当前执行写入的线程结束前，不允许其他线程读取该对象。

通过确保任何情况下都不会有两个线程彼此等待，可避免死锁。为此，可使用主线程同步工作线程，也可在线程之间分配任务时，确保工作负荷分配明确。可以让一个线程等待另一个线程，但绝不要同时让后者也等待前者。

编写多线程应用程序本身是个专题，详细介绍这个引人注目且激动人心的主题超出了本书的范围。要学习多线程编程，可参阅大量有关该主题的在线文档，也可亲自动手实践。一旦掌握了这个主题，就能让C++应用程序充分利用未来将发布的多核处理器。

29.3 编写杰出的C++代码

相比于面世之日，C++发生了巨大变化，主要的编译器厂商在标准化方面做出了巨大努力，还有大量工具和函数，这些都有助于编写简洁的 C++代码。编写可靠且易于理解的 C++应用程序真的很容易。

下面的一些最佳实践可帮助您创建优质的C++应用程序。

• 给变量指定（无论是对您还是其他人来说都）有意义的名称。值得多花点时间给变量取个好名。

• 对于int、float等变量，务必进行初始化。

• 务必将指针初始化为NULL或有效的地址———如运算符new返回的地址。

• 使用数组时，绝不要跨越其边界。跨越数组边界被称为缓冲区溢出，可导致安全漏洞。

• 不要使用C风格字符串（char*），也不要使用strelen()和strcopy()等函数。std::string更安全，还提供了很多有用的方法，如获取长度、进行复制和附加的方法。

• 仅当确定要包含的元素数时才使用静态数组。如果不确定，应使用std::vector等动态数组。

• 声明和定义接受非 POD 类型作为输入的函数时，应考虑将参数声明为引用，以免调用函数时执行不必要的复制步骤。

• 如果类包含原始指针成员，务必考虑如何在复制或赋值时管理内存资源所有权，即应考虑编写复制构造函数和赋值运算符。

• 编写管理动态数组的实用类时，务必实现移动构造函数和移动赋值运算符，以改善性能。

• 务必正确地使用const。理想情况下，get()函数不应修改类成员，因此应将其声明为const函数。同样，除非要修改函数参数包含的值，否则应将其声明为const引用。

• 不要使用原始指针，而应尽可能使用合适的智能指针。

• 编写实用类时，务必花精力实现让它使用起来更容易的运算符。

• 在有选择余地的情况下，务必使用模板而不是宏。模板不但是通用的，还是类型安全的。

• 编写类时，如果其对象将存储在诸如vector和list等容器中，或者被用作映射中的键，务必实现运算符<，它将用作默认排序标准。

• 如果您编写的lambda表达式很长，应考虑转而使用函数对象，即实现了operator()的类，因为函数对象可重用，且只有一个地方需要维护。

• 绝不要认为运算符new肯定会成功。对于分配资源的代码，务必处理其可能引发的异常，即将其放在try块中，并编写相应的catch()块。

• 绝不要在析构函数中引发异常。

这个清单并非包罗万象，但涵盖了一些最重要的要点，有助于编写杰出且易于维护的C++代码。

29.4 更深入地学习C++

祝贺您在学习C++方面取得了巨大进步，要沿这条道路继续前行，最佳的方式是动手编写大量代码！

C++是一种复杂的语言，越多动手编程，您对幕后的情况就了解得越深入。诸如Visual Studio等开发环境提供了智能感知功能，可助您一臂之力，还可满足您的好奇心，如显示 string 类中您从未见过的成员。现在该开始在实践中学习了！

29.4.1 在线文档

要更详细地了解 STL 容器及其方法、算法和功能，请访问 MSDN（http://msdn.microsoft.com/），它非常深入地介绍了标准模板库。

阅读MSDN中的STL文档时，别忘了选择正确的Visual Studio版本，因为从Visual Studio 2010开始才支持C++11。

编写本书时，主流C++编译器都未全面支持所有的C++11功能。例如，Visual Studio 2010不支持可变参数模板。在GNU GCC编译器 4.6版中，std::thread的实现存在问题。一般而言，了解编译器接下来将支持哪些C++11功能是个不错的主意，为此可参阅其在线文档。Visual Studio开发小组维护着一个名为C++11 Core Language Feature Support的博客，其网址为http://blogs.msdn.com/b/vcblog/archive/2010/04/06/c-0x-core-language-features-in-vc10-the-table.aspx；而 GCC 提供了一个支持页面，其网址为http://gcc.gnu.org/projects/cxx0x.html。

编写本书时，这两个编译器都支持C++11推荐的大部分功能。另外，本书的代码都使用了这两个编译器进行了测试。

29.4.2 提供指南和帮助的社区

有很多活跃的C++社区。在CodeGuru（www.CodeGuru.com）或CodeProject（www.CodeProject.com）网站注册后，您就可询问自己遇到的技术问题，并获得社区的帮助。

如果您对自己的水平有自信，可为这些社区的其他成员提供帮助。您将发现，在解答难题的过程中，您将学到很多。

29.5 总结

这是本书的最后一章，实际上是您探索C++的开篇！在此之前，您学习了C++基本知识和高级概念；而在本章中，您学习了多线程编程的理论基础。您了解到，要充分利用多核处理器，唯一的途径就是将逻辑放在多个线程中，并支持并行处理。您知道了如何避开多线程编程面临的陷阱。最后，您学习了一些基本的C++编程最佳实践。您知道，要编写优质的C++代码，不仅要使用高级概念，还应给变量指定别人能够明白的名称，处理异常以应付意外情况，并使用智能指针等实用类（而不是原始指针）。您已为进入专业C++编程领域做好了充分准备。

29.6 问与答

问：我编写了一个应用程序，对其性能很满意，还应考虑在其中实现多线程功能吗？

答：根本不用考虑。并非所有应用程序都需要是多线程的，仅当应用程序需要并行地执行任务或同时为众多用户提供服务时，才需要使用多线程技术。

问：既然主流编译器还未全面支持C++11，我为何不采用老式编程风格呢？

答：首先，两款主流编译器（Microsoft Visual C++和GNU GCC）都支持大部分C++11功能，只有少数功能除外。另外，C++11让编程更容易。使用关键字auto可简化迭代器声明，而lambda表达式让for_each()结构非常紧凑，无需编写函数对象。因此，使用C++11编程的好处已非常明显。

29.7 作业

作业包括测验，帮助读者加深对所学知识的理解。请尽量先完成测验，再对照附录D的答案。

测验

1．我编写了一个图像处理应用程序，它在校正对比度时没有响应，我该如何办？

2．我编写了一个多线程应用程序，能够以极快的速度访问数据库，但有时取回的数据不完整，请问是哪里出了问题？