C++并行编程入门指南（从零开始掌握多线程与高性能计算）

C++ 标准库中的线程支持

自 C++11 起，标准库引入了 <thread> 头文件，使开发者无需依赖第三方库即可创建和管理线程。下面是一个最简单的多线程示例：

#include <iostream>#include <thread>void say_hello() {    std::cout << "Hello from thread!\n";}int main() {    // 创建一个新线程，执行 say_hello 函数    std::thread t(say_hello);    // 等待线程完成（阻塞主线程直到 t 结束）    t.join();    std::cout << "Main thread continues.\n";    return 0;}

在这个例子中，我们创建了一个名为 t 的线程，它会运行 say_hello 函数。调用 t.join() 是为了确保主线程等待子线程完成后再继续执行，避免程序提前退出。

线程安全与共享数据

当多个线程访问同一块内存时，可能会发生数据竞争（data race），导致不可预测的结果。为了解决这个问题，C++ 提供了互斥锁（mutex）等同步机制。

#include <iostream>#include <thread>#include <mutex>std::mutex mtx; // 互斥锁int shared_counter = 0;void increment(int n) {    for (int i = 0; i < n; ++i) {        mtx.lock();        ++shared_counter;        mtx.unlock();    }}int main() {    const int N = 100000;    std::thread t1(increment, N);    std::thread t2(increment, N);    t1.join();    t2.join();    std::cout << "Final counter value: " << shared_counter << std::endl;    return 0;}

上面代码中，两个线程同时对 shared_counter 进行递增操作。通过 std::mutex 锁定临界区，确保每次只有一个线程能修改变量，从而保证结果正确（应为 200000）。

更高级的并行工具：std::async 与 future

除了直接使用 std::thread，C++11 还提供了更高层次的抽象：std::async 和 std::future，它们能自动管理线程并返回结果。

#include <iostream>#include <future>int compute_sum(int a, int b) {    return a + b;}int main() {    // 异步启动一个任务    std::future<int> result = std::async(compute_sum, 10, 20);    // 做其他事情...    std::cout << "Doing other work...\n";    // 获取异步任务的结果（会阻塞直到完成）    int sum = result.get();    std::cout << "Sum is: " << sum << std::endl;    return 0;}

实战建议与最佳实践

• 避免过度创建线程——线程太多反而会因上下文切换开销降低性能。
• 优先使用 RAII 风格的锁（如 std::lock_guard）防止忘记解锁。
• 在 高性能计算 场景中，可结合 OpenMP 或 Intel TBB 等库进一步简化并行逻辑。
• 始终测试你的 C++并发 代码，因为竞态条件往往难以复现。

结语

通过本教程，你已经掌握了 C++并行编程 的基本概念和常用工具。无论是开发响应迅速的 GUI 应用，还是进行科学计算、游戏引擎优化，多线程编程 都是你不可或缺的技能。记住：并行不是万能药，但用得好，它能让程序性能飞跃！

继续学习，动手实践，你也能成为 C++ 并行高手！