C++多任务编程简明教程 (1) - C++的多任务其实很简单

用库的方式无法实现彻底的线程安全！我们需要C++11

与很多同学交流的时候发现，一想到用C++写多线程，还是想到pthread这样的库的方法实现。
但是，十几年前的研究就证明了，线程安全是无法用库的形式来提供的，有兴趣的同学可以参见原文：
http://www.hpl.hp.com/techreports/2004/HPL-2004-209.pdf
解释需要大量的篇幅，作为快餐式的教程，我们只讲结论。

十几年过去了，CPU的乱序执行，编译器的乱序优化，使得通过pthread一样的库实现线程安全越来越困难。即使做到了，也是以牺牲性能为代价换来的。
我们以java为例，虽然在java 1.0中就支持多线程了。但是，真正完整的线程安全的基础设施的完成是在java 5.0版本中才实现的。这其中最重要的一点，就是java 5.0明确定义了内存模型。有了内存模型的保证，我们才真正知道，什么是可行的，什么是不可行的。如何定义才能在多线程中实在可见性。
在有较大影响的语言中，java是率先达到了这一目标的。C++在当时基本上没有为多线程或者多任务做过考虑，这个问题直到C++11中才被解决掉。

所以，至少对于多线程编程来讲，C++11是必须要学习的。我们不能再停留在C++98/03的老黄历上了!
所幸的是，对于最基本的C++11多任务编程来讲，比起完整学会pthread这样的库还要容易.

多任务优于多线程

然后，我们从C++11的线程开始讲？不，我宁愿把整个内存模型讲完了之后才教您如何使用线程，就怕学完了线程没学内存模型就上手直接开始用了，导致遇到问题之后才知道内存模型的重要性。

但是，这还不是我最想讲的，为什么要学线程和内存模型呢？大部分的任务，我们根本不需要了解什么是线程，什么是锁，更不用说无锁编程之类的了。看过我的《Java多线程编程简明教程(1) - Future模式与AsyncTask》都知道，如果有更简单、更高级的封装，我是不建议先学更低级的工具的。

为什么需要多线程？其实很多同学没有意识到，需要的只是多任务，线程只是手段。线程是操作系统级的概念，是操作系统级的资源，我们要管理到这么细节，就得去处理比如管理线程状态，处理线程数满了的异常，如何做线程的负载均衡之类的管理工作，而这些根业务逻辑之间没有半毛钱关系。

从java的发展来看，5.0提供了Future模式，7.0中提供了Fork-Join模式，封装得越来越高级。C++11中暂时还没有到Fork-Join这么高级，不过，直接调用一个std::async函数就可以实现Future模式.

所谓的Future模式，就是在后台起一个任务，然后前台该干嘛干嘛，等到前台任务需要用到刚才的后台任务的时候，再去获取后台任务的结果。如果后台任务已经结束了，自然是最好，继续干活就是了。即使后台还没做完，至少也能少等一会儿。不管怎么样都不赔。

std::async 快餐

C++11如何去做一个后台任务呢，实在太简单了，写个函数，或者仿函数，或者是lambda表达式这样可以被调用的逻辑，然后通过std:async去调用就是了。

唯一需要注意的一点，future模式不允许共享内存，复制一份只读的通过参数传给你的函数吧。

太简单了，一共就只需要4步：

• 引入头文件
• 写需要后台执行功能的函数
• 通过async函数调用上面写的函数
• 主任务继续干活
• 需要后台任务的结果时，去读它的返回值

引入future头文件

#include <future>

实现功能的函数

将后台要做事儿的逻辑写成一个函数吧，这里写个最简单的：

void func1(int arg){
    cout<<"I am running in background!"<<arg<<endl;
}

通过async调用您的逻辑

    future<void> f1 = async(launch::async,func1,0);

大家可以看到，async有多么的简单，第一个参数是马上就启动后台任务，还是用的时候再启动。我们一般都是希望马上启动，于是固定地给launch::async就好了。真的有特殊需求要用的时候再启动，就给launch::deferred。只有这两种情况，简单吧？
第二个参数就是刚才写好的后台逻辑的函数。第三个是您的函数要用的参数。

返回一个future，类型与刚才您写的函数的返回值一致。这时候不需要知道它是什么。

甚至有个更绝情的办法，我们根本不care返回值是什么，直接给个auto让编译器自己推断去。
像下面这样：

    auto f1 = async(launch::async,func1,0);

不需要懂任何跟线程相关的知识吧？

主任务继续干活

这个就不多说了，既然要起后台任务，前台肯定有事儿要做。

获取后台的值

到了需要返回值的时候，直接调用get函数。本例中是void类型，所以返回值获取了我们也不用。

    f1.get();

OK，我们的快餐教程就讲完了，不需要懂什么是线程，什么是锁，什么是内存模型，原子变量是什么，内存都有什么顺序之类的。大家可以快乐地去干活去了~ 等将来我们详详细细地把刚才列举的这些知识一一补齐，大家就会发现这其实是有多复杂了。

例子

Java历史上借鉴了太多的C++的东西，但是内存模型和Future模式这些，Java是领先于C++的。
那我们向Java致敬吧，将Java多线程简明教程中Future模式的例子用C++改写一下。我们看看C++的优势吧：

public class AsyncTaskSimple {
    public static class Result implements Callable<String>{
        @Override
        public String call() throws Exception {
            return doRealLogic();
        }

        private String doRealLogic(){
            //Here to do the background logic
            return new String("Done");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new Result());
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        executor.submit(future);
        someThingToDo();
        try {
            String s = future.get();
            System.out.println("The result is:"+s);
        }catch (InterruptedException e){
            //Deal with InterruptedExcpeiotn
        }catch(ExecutionException ee){
            //Deal with ExecutionException
        }
    }

    private static void someThingToDo(){
        //Main thread logic
    }
}

Java写了这么一大坨，C++11只用不到一半的篇幅就搞定了：

string doRealLogic(){
    return string("Done");
}
void someThingToDo(){
    //do something
}
int main(int argc, char** argv)
{
    auto f2 = async(launch::async,doRealLogic);
    someThingToDo();
    cout<<f2.get()<<endl;
}

或者我们更现代一点，也不要写函数了，直接上一个lambda表达式吧。

void someThingToDo(){
    //do something
}
int main(int argc, char** argv)
{
    auto f2 = async(launch::async,[](){
        return string("Done");
    });
    someThingToDo();
    cout<<f2.get()<<endl;
}

最后再强调一遍，输入参数通过函数参数传进去，输出参数通过返回值，也就是future.get获取回来。不要使用全局变量等方式来共享内存！

Enjoy it!