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出版者:BookSurge Publishing

作者:Dr. Peter C Dibble

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2008-06-19

价格:USD 42.86

装帧:Paperback

isbn号码:9781419656491

丛书系列:

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《高效能C++并发编程实战》 深入理解与实践现代C++中的并行与并发 第一部分：现代C++并发编程基石 本书旨在为希望掌握现代C++（C++11/14/17/20）中并发与并行编程的开发者提供一本全面、深入且极具实践指导意义的指南。我们不仅关注理论基础，更着重于如何在真实世界的复杂系统中构建高效、安全且可维护的并发代码。 第1章：C++并发编程的演进与新范式 本章追溯C++标准库中并发支持的演变，从早期的平台特定API（如POSIX线程）到C++11引入的统一、可移植的并发模型。我们将详细解析`std::thread`的生命周期管理、RAII在线程管理中的应用，以及为什么现代C++倾向于使用高层次抽象而非直接操作底层操作系统线程。我们将探讨并发的几种主要类型：数据并行、任务并行以及管道并行，并讨论何时以及如何选择最适合的并行策略。 第2章：内存模型与数据竞争的根源 理解C++内存模型是编写正确并发代码的基石。本章将深入剖析C++17内存模型，解释`std::memory_order`的细微差别——从顺序一致性（Sequential Consistency）到更弱的排序模型（如Acquire/Release）。我们将通过大量的代码示例展示： 可见性问题（Visibility）： 为什么一个线程写入的值，另一个线程可能看不到？ 排序问题（Ordering）： 如何保证操作的特定执行顺序，即使编译器和硬件进行了重排序？ 数据竞争（Data Races）的定义与规避： 明确指出哪些操作组合构成数据竞争，以及如何通过适当的同步原语来消除它们。 第3章：同步原语的精通：互斥量与锁 互斥量（Mutexes）是并发编程中最常用的同步工具。本章将全面覆盖标准库提供的各种互斥量类型及其适用场景： `std::mutex`：基础的、排他性的保护机制。 `std::recursive_mutex`：在特定情况下（如对象方法的递归调用）的必要性及其潜在陷阱。 `std::timed_mutex`：引入超时机制，用于避免死锁或等待过久。 更重要的是，我们将深入探讨锁的封装工具： `std::lock_guard` 与 `std::unique_lock`：RAII范式的完美体现，重点比较两者的灵活性差异（例如，延迟加锁、手动解锁、与条件变量的配合）。 死锁（Deadlock）的诊断与预防策略： 介绍Lock Ordering、Try-Locking以及`std::scoped_lock`（C++17）如何自动化地解决多锁获取的死锁问题。 第二部分：高级同步与并行结构 第4章：条件变量：线程间的协作与通知 条件变量（Condition Variables）是实现生产者-消费者模型、屏障同步等场景的核心工具。本章将详细解析`std::condition_variable`及其配套的`wait()`函数的工作原理，重点强调谓词（Predicate）在等待循环中的关键作用，以防止虚假唤醒（Spurious Wakeups）。我们将构建一个健壮的、基于条件变量的线程池任务队列示例。 第5章：原子操作：无锁编程的基石 对于性能要求极高的场景，锁的开销往往难以接受。原子操作（Atomics）提供了对基本数据类型进行不可分割操作的能力。 `std::atomic`的深度解析： 覆盖整数、布尔值以及指针的原子操作。 比较并交换（CAS）循环： 如何使用`compare_exchange_strong`/`weak`实现无锁数据结构（如无锁栈或队列）。 内存顺序与原子操作的协同： 再次强调原子操作的内存序参数如何与普通内存访问的内存序协同工作，以最小化性能损耗。 第6章：未来的并发模型：Futures与Promises 异步编程通过`std::future`和`std::promise`提供了更高层次的任务抽象，将“计算”与“结果的获取”解耦。本章将： 异步任务的启动与结果获取： 使用`std::async`启动任务，并处理其返回的`std::future`。 共享状态的传递： `std::promise`和`std::packaged_task`在跨线程传递结果时的具体用法。 等待机制： 深入`std::wait_for`、`wait_until`以及`std::wait`，实现事件驱动的同步等待。 第三部分：构建高性能与健壮的并发系统 第7章：并行算法与执行策略（C++17/20） C++17引入了标准库的并行算法，极大地简化了数据并行编程。本章将重点介绍如何为标准算法（如`std::sort`, `std::transform`, `std::reduce`）应用执行策略： `std::execution::seq` (顺序) `std::execution::par` (并行) `std::execution::par_unseq` (并行与向量化) 我们将探讨何时使用这些策略能带来真正的性能提升，以及编译器和运行时如何管理并行执行的资源。 第8章：数据结构与无锁容器的设计 理论知识必须转化为实践。本章将引导开发者设计和实现自己的并发友好数据结构： 基于锁的数据结构： 如何通过最小化临界区（Critical Section）来优化基于互斥量的容器。 无锁（Lock-Free）的挑战： 解释实现真正无锁结构的复杂性，包括ABA问题，并提供使用CAS循环实现简化版无锁栈的实例。 并发缓存的设计模式： 探讨如何使用读写锁（如果平台支持，或通过原子操作模拟）优化读多写少的缓存结构。 第9章：并发调试、测试与性能调优 并发代码的调试是出了名的困难。本章提供了一套实用的工具和方法论： 错误检测工具： 如何利用AddressSanitizer (ASan) 或ThreadSanitizer (TSan) 自动化地捕获数据竞争和死锁。 性能分析： 使用性能分析器（Profiler）识别锁竞争（Lock Contention）和缓存伪共享（Cache Line False Sharing）问题。 隔离缓存伪共享： 详细讲解如何通过字节填充（Padding）或结构体对齐来解决伪共享，从而确保每个线程独享其缓存行。 第10章：面向未来的并发：协程与任务系统（C++20） C++20引入的协程（Coroutines）为编写顺序结构的代码来实现非阻塞、高并发 I/O 提供了革命性的方法。本章将： 介绍协程的核心概念：`promise_type`、`coroutine_handle`、`co_await`、`co_yield`。 构建一个基于协程的用户态任务调度器框架，用于处理大量并发网络连接，而无需依赖传统的多线程模型，从而实现更低的上下文切换开销和更高的吞吐量。 本书的每一章都配备了大量经过严格测试的代码示例，旨在将读者从理论知识的理解者转变为高性能、健壮的C++并发系统的实战构建者。

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这本书的结构设计非常精妙，它采用了“理论基础→核心机制→高级应用”的渐进式学习路径。初学者可能会觉得某些底层细节（比如操作系统内核交互层面的讨论）有些晦涩，但请耐心读下去，因为这些基础知识是理解后续高性能I/O模型和异步编程范式的关键。我个人对书中关于反应式编程模型在实时上下文中的应用介绍印象尤为深刻。作者并没有简单地复制Reactive Streams规范的官方文档，而是聚焦于如何利用这些模型来管理非阻塞的、高吞吐量的事件流，同时确保关键路径上的响应时间可预测。更值得称赞的是，它还涉及了在容器化和云原生环境中实施实时策略的特殊考虑，比如CPU亲和性（CPU Pinning）和资源隔离的技术。这使得这本书不仅具有经典价值，也完全适配于现代DevOps和基础设施实践。

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说实话，刚拿到这本书时，我有点担心它会过于学术化，变成一本冷冰冰的参考手册。然而，实际阅读体验远超预期。作者的文笔中透露着一种对技术的热情和对读者困难的理解。在描述复杂的线程池管理和并发数据结构时，他总能用恰当的比喻来辅助理解，避免了纯粹的数学推导带来的疏离感。最让我感到惊喜的是，书中对于错误处理和容错机制的讨论，远比我预想的要全面。在实时系统中，失败是必然的，关键在于如何优雅且迅速地恢复。书中关于故障注入测试（Fault Injection Testing）的章节，提供了一套系统的框架，教我们如何主动暴露系统的弱点，而不是被动地等待事故发生。这种“积极防御”的哲学渗透在全书之中，极大地提升了我对系统稳定性的信心。

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这本书的价值，在于它提供了一个高屋建瓴的视角来看待“性能”。它让我明白，在实时系统中，性能不仅仅是CPU周期的数量，更是时间上的确定性。我以前总关注于如何让平均响应时间变短，但这本书明确指出，P99甚至P99.99的延迟才是决定用户体验和系统稳定性的真正指标。作者详尽地分析了各种延迟来源——从网络栈的开销到JVM的JIT编译抖动——并针对性地提出了规避策略。对于那些刚刚开始设计或维护关键业务系统的工程师来说，这本书就像一张详尽的“性能地图”，标记了所有的陷阱和捷径。我强烈推荐所有对构建高SLA（服务等级协议）系统感兴趣的专业人士将其作为案头必备读物，它提供的洞察力是无价的，远超其装帧所能体现的价值。

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我必须坦言，这本书在讲解“硬实时”与“软实时”概念的权衡时，展现出了极高的专业水准。市面上关于Java并发编程的书籍汗牛充栋，但真正能将Java平台（特别是较新版本特性）与严格的时间约束要求结合起来探讨的却凤毛麟角。作者没有回避Java虚拟机（JVM）固有的不确定性，而是直面挑战，并提供了实用的绕过或缓解这些不确定性的工程手段。例如，书中对内存屏障、内存排序以及特定JVM选项的深入分析，对于那些需要在金融交易、航空航天控制等领域部署Java应用的工程师来说，简直是救命稻草。我的一个同事尝试过用标准Java库处理一个严格的毫秒级定时任务，遇到了难以排查的抖动问题，而这本书提供的诊断工具和分析框架，直接指明了问题的根源所在——常常是操作系统调度器与JVM内部状态交互的微妙影响。这种实战层面的深度挖掘，是其他泛泛而谈的编程书籍无法比拟的。

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这本书简直是为那些渴望在瞬息万变的数字世界中保持领先地位的开发者准备的宝贵资源。它深入剖析了实时系统设计的核心挑战，并提供了大量实用的、可以立即投入生产环境的解决方案。我特别欣赏作者在处理并发控制和资源管理方面的细腻笔触。很多教科书往往止步于理论，但这本书却将复杂的概念通过清晰的架构图和精妙的代码示例展现在读者面前，使得即便是初次接触实时编程的读者也能迅速建立起一个坚实的知识框架。它不仅仅是关于“如何做”，更重要的是关于“为什么这样做是最佳选择”。书中对延迟敏感型应用的性能调优技巧讲解得尤为透彻，涉及了垃圾回收策略的优化、锁的粒度控制以及低延迟网络编程的实践经验。读完后，我感觉自己对于构建高可靠性、低延迟的分布式系统有了更深刻的理解，这对于当前微服务架构的普及来说，无疑是一笔巨大的财富。作者的叙述风格严谨而不失生动，让人在紧张的学习过程中也能感受到探索技术深度的乐趣。

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