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出版者:北京航空航天大学

作者:李敬有

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2007-3

价格:26.00元

装帧:

isbn号码:9787811240214

丛书系列:

图书标签:

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• 开发
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• 实践

《深入理解 C++ 内存模型与并发编程》 本书旨在为 C++ 开发者提供一个全面且深入的视角，剖析 C++ 内存模型的工作原理，并在此基础上探讨现代多核处理器环境下的高效并发编程技术。我们不局限于 C++ 标准的表面定义，而是深入到硬件层面，揭示原子操作、内存顺序、缓存一致性等底层机制如何影响程序的行为，以及开发者应如何利用这些知识来编写健壮、高性能的并发程序。 第一部分：C++ 内存模型剖析 本部分将带您踏上一段探索 C++ 内存模型内在机制的旅程。我们将从最基础的概念开始，逐步深入到复杂的设计细节。 章节一：现代处理器与内存体系结构 介绍现代多核处理器的工作方式，包括指令流水线、乱序执行、缓存层次结构（L1, L2, L3 缓存）及其对数据访问速度的影响。 详细解释缓存一致性协议（如 MESI、MOESI）如何确保多核处理器之间缓存数据的一致性，以及由此产生的潜在问题，如缓存延迟和伪共享。 讨论内存屏障（Memory Barriers）的作用，它们是如何强制特定顺序的内存操作，以绕过处理器和编译器可能进行的重排序。 章节二：C++ 标准内存模型详解 深入解读 C++11 标准引入的内存模型，重点阐述 `std::memory_order` 枚举类型及其各个值（`memory_order_relaxed`, `memory_order_consume`, `memory_order_acquire`, `memory_order_release`, `memory_order_acq_rel`, `memory_order_seq_cst`）的语义。 详细解释“顺序一致性”（Sequential Consistency）这一理论模型，以及在实际硬件上如何实现它，并指出顺序一致性模型可能带来的性能开销。 分析“无锁”（Lock-Free）数据结构的设计原则，强调如何利用原子操作和特定的内存顺序来构建不需要互斥锁即可安全访问的数据结构。 章节三：原子操作的艺术 深入讲解 C++ 标准库提供的原子类型（`std::atomic`），包括各种支持的数据类型和操作（`load`, `store`, `exchange`, `compare_exchange_weak`, `compare_exchange_strong`）。 演示如何利用原子操作来实现简单的无锁计数器、标志位和自旋锁，分析其在不同场景下的性能表现。 探讨跨平台原子操作的兼容性问题，以及不同处理器架构下原子操作的实际实现和性能差异。 第二部分：高效并发编程实战 在掌握了内存模型的理论基础后，本部分将聚焦于如何将其应用于实际的并发编程场景，构建高效、可扩展的应用程序。 章节四：线程同步的经典与创新 回顾传统的线程同步机制，如互斥锁（`std::mutex`）、条件变量（`std::condition_variable`）、读写锁（`std::shared_mutex`），分析其适用范围和潜在的死锁、活锁问题。 引入 C++20 引入的新同步原语，如 `std::counting_semaphore`、`std::counting_semaphore`，并讲解它们的用法和优势。 探讨“信号量”（Semaphores）在资源管理和任务协调中的应用，以及如何使用它们来限制并发访问。 章节五：无锁数据结构的设计与实现 深入研究几种典型的无锁数据结构，如无锁栈、无锁队列、无锁链表。 详细剖析这些数据结构在并发访问下的原子操作序列和内存顺序约束。 提供具体的代码示例，展示如何从零开始构建一个简单的无锁数据结构，并对其进行性能基准测试。 讨论无锁数据结构在特定场景下的优势，如高吞吐量、低延迟，以及其对复杂度的挑战。 章节六：并发设计模式与最佳实践 介绍多种经典的并发设计模式，如生产者-消费者模式、工作窃取模式（Work Stealing）、Actor 模型等，并讲解它们在 C++ 中的实现。 讨论如何利用 C++ 标准库提供的工具（如 `std::thread`, `std::async`, `std::future`, `std::packaged_task`）来构建高效的并发应用程序。 强调并发编程中的常见陷阱，如数据竞争、竞态条件、死锁、资源泄露，并提供相应的规避策略。 讨论如何对并发程序进行性能调优，包括使用性能分析工具，识别瓶颈，以及优化线程调度和数据访问模式。 章节七：内存顺序与优化权衡 通过实际案例，生动展示不同内存顺序对程序行为和性能的影响。 分析在何种情况下可以安全地使用更宽松的内存顺序（如 `memory_order_acquire/release`）以获得性能提升，以及何时必须使用严格的顺序（`memory_order_seq_cst`）。 探讨编译器优化与内存模型之间的交互，以及如何理解和预测编译器可能进行的重排序。 提供一套实用的方法论，帮助开发者在正确性和性能之间找到最佳平衡点。 本书特色： 深入底层： 不仅解释 C++ 标准，更深入到硬件和操作系统层面，帮助读者理解“为什么”。 实践导向： 提供大量实际可用的代码示例，便于读者动手实践和理解。 挑战性与深度： 旨在为有一定 C++ 基础，希望在并发编程领域达到更高水平的开发者提供进阶指导。 前沿性： 包含 C++20 的新特性，紧跟语言发展的步伐。 通过阅读本书，您将能够深刻理解 C++ 内存模型的奥秘，掌握编写高效、安全并发程序的关键技术，从而在多核时代开发出更具竞争力的软件。

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在全书的收尾部分，作者没有草草了事，而是用相当大的篇幅讨论了软件项目的生命周期管理和代码的长期维护性问题。这一点是许多入门级或中级教程经常忽略的“后半场”战斗。书中关于版本控制策略的建议，以及如何编写有效的技术文档和API说明，都展现了作者超越纯粹编程范畴的广阔视野。特别是他强调的“代码的敌人是时间，而非Bug”，这个观点非常发人深省。它引导我开始思考如何编写出能够抵御未来技术迭代和人员更迭的“长寿”代码。整本书读完后，我感觉自己不仅仅掌握了一套工具，更重要的是，我习得了一套完整、成熟的软件工程思维框架，这对我未来的职业发展无疑是极其宝贵的财富。

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这本书的语言风格，如果用一个词来概括，那就是“沉稳的引导者”。它不像某些技术书籍那样，通篇充斥着过度热情的煽动性语言，也不像学术著作那样高高在上、难以企及。作者的笔触非常克制且精确，他倾向于用最少的文字，表达最丰富的信息量。在解释一些较为抽象的概念，比如组件化开发或者异步编程模型时，作者会适时地插入一些历史背景或者行业规范的引用，这使得我们不仅学会了技术，也理解了技术演进的脉络。这种沉稳的叙事方式，反而让我产生了一种强烈的信任感，仿佛我正在与一位经验丰富的、不爱夸夸其谈的资深工程师进行一对一的交流。这种交流的深度和专注度，是单纯依赖网络搜索或零散教程难以比拟的。

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这本书的实操案例部分，处理得极为精妙，它没有陷入那种为示例而示例的窠臼。每一个代码片段、每一个小项目，都仿佛是从真实的开发环境中提炼出来的精华。我特别欣赏作者对于错误处理和异常机制的论述，他没有简单地罗列`Try...Catch`的语法，而是深入探讨了在不同应用层级下，应采取何种策略来确保程序的健壮性，以及如何构建清晰、有意义的错误报告机制。这种对细节的关注，在许多同类书籍中是极其罕见的。我尝试着跟着书中的步骤，构建了一个小型的数据管理系统，其中关于数据库连接池的优化策略，书中给出的建议让我省去了大量自己摸索的时间。更重要的是，作者在代码注释中透露出的“为什么这么做”的思考过程，比“怎么做”的指令本身更有价值，它教会了我一种批判性地看待代码的习惯。

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这本书的封面设计颇具匠心，那种深沉的蓝色调与明亮的黄色字体搭配，立刻给人一种专业而又充满活力的感觉。初次翻开，我立刻被它对编程思想的深度剖析所吸引。它似乎不仅仅是一本讲解特定语言语法的工具书，更像是一本深入探讨“如何构建健壮、可维护软件”的哲学指南。作者并没有急于抛出晦涩难懂的专业术语，而是循序渐进地引导读者理解面向对象的核心概念，那些关于封装、继承和多态的阐述，清晰得如同山涧溪水，让人茅塞顿开。尤其是关于设计模式的应用部分，书中通过一系列贴近实际业务场景的案例，展示了如何用优雅的代码结构解决复杂问题，这远超出了我之前接触的大部分教材所能提供的深度。读完这部分，我感觉自己看待代码的视角都提升了一个层次，不再满足于实现功能，而是开始追求代码的内在美和结构的合理性。这种对基础理论的扎实打磨，无疑为后续的学习打下了极其坚实的地基。

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坦率地说，这本书的排版和印刷质量给我留下了深刻的印象。纸张的选择偏向于哑光质感，即便是长时间在灯光下阅读，也不会产生刺眼的反射光，这对于需要长时间盯着屏幕和书本进行学习的程序员来说，是一个非常贴心的设计。图表的清晰度也值得称赞，那些流程图和UML类图，线条分明，层次结构一目了然，即便是初次接触这些图示的读者，也能迅速掌握其表示的含义。在章节的组织上，逻辑过渡非常自然，前一章的知识点常常作为后一章进阶内容的铺垫，使得阅读过程像是在攀登一座设计精良的阶梯，每一步都稳固且有明确的目标指向。我发现自己可以很方便地在不同章节间跳转查阅，而不会因为上下文的缺失而感到困惑，这极大地提高了我的学习效率。

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