C++并行算法 C++17执行策略解析-C++-PHP中文网

c++并行算法 c++17执行策略解析

C++17引入的执行策略，说白了，就是给标准库算法加了个“加速开关”，让我们能更方便地利用多核CPU的算力，把一些原本串行执行的操作变成并行。它提供了一种声明式的写法，你告诉编译器和运行时库，某个算法可以怎么跑，是顺序跑，还是可以并行跑，甚至可以乱序跑，而不用我们自己去操心线程池、任务调度这些复杂的底层细节。

C++17并行执行策略的本质与应用

C++17在

std::execution

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命名空间下引入了几个核心的执行策略：

seq

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（顺序）、

par

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（并行）和

par_unseq

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（并行且乱序）。理解它们，是玩转并行算法的关键。

std::execution::seq
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: 这是默认策略，表示算法将以串行方式执行。即便你的机器有八核十六线程，加了这个策略，它也只会老老实实地在一个线程上跑。调试的时候，或者当你确定并行化收益不大，甚至会带来负面影响时，这个策略是你的安全港。
std::execution::par
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: 这个策略告诉库，算法中的元素可以并行处理，但库会努力保持元素的相对顺序，或者至少保证操作的原子性。它通常会利用线程池来分发任务。比如，你用
```
std::for_each
```
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遍历一个大容器，每个元素的操作是独立的，那么
```
par
```
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策略就能让多个线程同时处理不同的元素。
std::execution::par_unseq
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: 这是最激进的策略。它不仅允许并行处理，还允许乱序执行（unsequenced），这意味着库可以进一步利用向量化指令（SIMD，比如AVX、SSE），在单个核心上同时处理多个数据。当然，前提是你的操作是纯粹的、没有副作用的。

怎么用呢？ 简单得很，你只需要把执行策略作为标准库算法的第一个参数传进去就行。

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <execution> // 包含执行策略

int main() {
    std::vector<int> data(1000000);
    // 填充数据...

    // 顺序排序
    std::sort(data.begin(), data.end());

    // 并行排序
    std::sort(std::execution::par, data.begin(), data.end());

    // 并行且乱序转换（例如，每个元素加1）
    std::transform(std::execution::par_unseq,
                   data.begin(), data.end(), data.begin(),
                   [](int x){ return x + 1; });

    // 还有一些算法，比如std::reduce, std::inclusive_scan, std::exclusive_scan等
    // 都可以配合执行策略使用。
    return 0;
}

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我个人觉得，C++17执行策略的真正价值在于它把并行编程的门槛大大降低了。你不再需要自己去写线程池，也不用担心线程的创建销毁开销。库的实现者会根据你的硬件和具体算法，选择最优的并行化方案。但这不代表你可以高枕无忧，一些常见的并行化陷阱，比如数据竞争，依然需要你手动处理。而且，并不是所有算法都支持所有策略，也不是并行化了就一定更快，这些都是我们需要仔细考量的。

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C++17并行策略，真的能让我的代码飞起来吗？性能提升的真实考量

这是一个很现实的问题。很多时候，我们一听到“并行”就觉得性能会爆炸式提升，但现实往往会给你泼一盆冷水。C++17的并行策略，它确实有潜力让你的代码“飞”起来，但它绝不是一颗万能的银弹。性能提升与否，甚至是不是负提升，取决于好几个关键因素。

首先，计算密集度是核心。如果你的算法大部分时间都在做复杂的数学运算、图像处理或者大规模数据分析，那并行化带来的收益会非常明显。因为这些操作是CPU密集型的，多核能同时跑，自然效率就高。但如果你的代码大部分时间都在等待I/O（比如读写文件、网络通信），或者被大量的锁竞争拖慢，那并行化效果可能微乎其微，甚至因为线程调度和同步的开销，比串行还慢。

其次，数据规模也很重要。对于小规模的数据集，并行化的调度开销（比如创建线程、分配任务、合并结果）可能会远远超过并行计算节省下来的时间。举个例子，对一个只有100个元素的数组进行并行排序，可能还不如直接串行排序来得快。通常，数据量达到几十万、上百万级别，并行化的优势才能真正体现出来。

再者，硬件架构。你有多少个CPU核心？你的CPU是否支持SIMD指令集（比如AVX-512）？缓存结构怎么样？这些都会直接影响并行策略的实际效果。

par_unseq

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策略尤其依赖于SIMD支持。如果你的硬件不支持，或者库的实现没有充分利用，那这个策略可能就退化成

par

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甚至

seq

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了。

最后，算法本身的可并行性。有些算法天生就容易并行化，比如对数组的每个元素独立操作（

for_each

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transform

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）。但有些算法本质上是串行的，比如遍历一个链表，每个节点的处理都依赖于前一个节点，这种就很难有效地并行化。

我的经验是，永远不要凭感觉判断并行化效果。你觉得它会快，它不一定快。你觉得它不会快，它可能反而有惊喜。测量，测量，再测量！ 使用专业的性能分析工具（比如Linux下的

perf

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，或者Google Benchmark库），用真实数据去测试，才能得出准确的结论。有时候，一个看似简单的

std::accumulate

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并行求和，如果每个元素的计算量极小，并行化后反而可能比串行更慢，因为分段求和再汇总的开销可能比直接加起来更大。

选择合适的C++17执行策略：seq, par, 还是par_unseq？

面对

seq

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par

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par_unseq

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这三个选项，很多初学者会有点懵。到底什么时候用哪个？这其实是一个权衡和决策的过程，没有绝对的“最好”，只有“最适合”。

std::execution::seq

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：安全第一，默认选择

当你需要绝对的执行顺序保证时，或者你的算法对顺序有严格依赖时，

seq

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是你的不二之选。调试代码时，我也习惯先用

seq

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，确保逻辑正确，再考虑并行化。对于那些计算量很小、数据规模不大、或者I/O密集型的任务，

seq

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的性能可能比

par

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或

par_unseq

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更好，因为它避免了并行化的所有额外开销。即便你什么都不写，标准库算法默认就是

seq

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行为，所以它也是最“省心”的。

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std::execution::par

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：通用并行，性能提升的起点

这是我最常使用的并行策略。当你发现某个算法的计算量很大，而且各个元素的处理相对独立，结果不依赖于处理顺序时，

par

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通常能带来显著的性能提升。比如大规模数据的

std::for_each

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、

std::transform

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、

std::sort

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、

std::reduce

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等。它会把任务分解成多个子任务，分发给不同的线程去执行。它允许并行，但不保证元素的相对处理顺序，这意味着如果你在lambda里修改了共享变量而没有加锁，就会出问题。但对于纯粹的计算，它是一个非常好的起点。

std::execution::par_unseq

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：极致性能，谨慎使用

这是最激进的策略，它允许并行，也允许“乱序”执行。这里的“乱序”不光是指多个线程并行，还指编译器和运行时库可以对你的代码进行向量化（SIMD）优化，在单个核心上同时处理多个数据。这意味着，如果你的操作是纯粹的、没有副作用的、且可以向量化的（比如简单的数值运算），

par_unseq

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可能会带来比

par

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更高的性能。

但是，它对代码的要求也更高。如果你的操作有任何副作用，或者依赖于严格的顺序（比如一个操作的结果作为下一个操作的输入），那么

par_unseq

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很可能会导致错误的结果。举个例子，如果你在

transform

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里做的事情，每个元素的计算都依赖于前一个元素的最终结果，那

par_unseq

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就完全不适用。

我的决策小流程：

是否有顺序依赖？ 如果算法的正确性严格依赖于元素的处理顺序，或者需要确保操作的原子性（例如，对共享资源进行读写），那么首先考虑
```
seq
```
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。
计算是否密集？数据量是否足够大？ 如果是，那就有并行化的潜力。
操作是否独立且无副作用？ 如果每个元素的处理都是独立的，且不修改共享状态，那么可以考虑
```
par
```
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。
操作是否可以向量化？对乱序是否敏感？ 如果是纯粹的数值计算，且对元素的处理顺序完全不敏感，那么可以尝试
```
par_unseq
```
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，争取最大性能。否则，老老实实地用
```
par
```
登录后复制
。

记住，永远要测试！在实际应用中，性能瓶颈可能出现在你意想不到的地方。

C++17并行算法中的数据竞争与同步陷阱

这是个老生常谈，但又极其容易踩坑的问题。C++17的执行策略确实让并行编程变得简单，但它只解决了“如何并行调度”的问题，并没有自动帮你解决“并行执行时的数据安全”问题。换句话说，执行策略不会神奇地让你的非线程安全代码变得线程安全。如果你在并行执行的任务中访问或修改了共享数据，而没有进行适当的同步，那么恭喜你，你已经成功地制造了一个数据竞争（Data Race）。

什么是数据竞争？

简单来说，就是两个或多个线程同时访问同一个内存位置，并且至少有一个是写操作，而且它们之间没有进行任何同步。数据竞争会导致未定义行为（Undefined Behavior），这意味着你的程序可能会崩溃，可能会输出错误结果，也可能在你的测试环境里表现正常，但在用户机器上突然爆炸。这种错误是最难调试的，因为它往往是间歇性的，难以复现。

常见的陷阱：

捕获外部变量的Lambda表达式： 这是最常见的陷阱之一。如果你在

std::for_each

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或

std::transform

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的lambda表达式中，通过引用捕获（

[&]

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）了一个外部变量，并且多个并行任务都尝试修改它，那么数据竞争就发生了。

#include <vector>
#include <numeric>
#include <execution>
#include <iostream>
#include <mutex> // for mutex example
#include <atomic> // for atomic example

int main() {
    std::vector<int> data(1000000, 1);
    long long sum_bad = 0; // 共享变量

    // 错误示范：数据竞争！sum_bad会被多个线程同时修改
    // std::for_each(std::execution::par, data.begin(), data.end(), [&](int x) {
    //     sum_bad += x;
    // });
    // std::cout << "Bad Sum (likely incorrect): " << sum_bad << std::endl;
    // 这段代码很可能不会得到1000000，因为多个线程的写操作会互相覆盖

    // 正确示范1：使用std::atomic
    // 对于简单的计数或累加，std::atomic通常是更好的选择，开销比mutex小
    std::atomic<long long> atomic_sum = 0;
    std::for_each(std::execution::par, data.begin(), data.end(), [&](int x) {
        atomic_sum += x; // std::atomic<T>::operator+= 是原子操作
    });
    std::cout << "Atomic Sum: " << atomic_sum.load() << std::endl;

    // 正确示范2：使用std::reduce (更推荐的并行求和方式)
    // std::reduce就是为并行求和/归约设计的，它内部处理了同步
    long long sum_reduce = std::reduce(std::execution::par, data.begin(), data.end(), 0LL);
    std::cout << "Reduce Sum: " << sum_reduce << std::endl;

    // 如果非要用mutex，虽然对于累加不是最佳选择，但演示其用法
    long long sum_mutex = 0;
    std::mutex mtx;
    std::for_each(std::execution::par, data.begin(), data.end(), [&](int x) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 每次修改前加锁
        sum_mutex += x;
    });
    std::cout << "Mutex Sum: " << sum_mutex << std::endl;

    return 0;
}

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非线程安全的容器：
```
std::vector
```
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、
```
std::map
```
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等标准库容器默认都不是线程安全的。如果你有多个并行任务需要往同一个
```
std::vector
```
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里
```
push_back
```
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，或者修改同一个
```
std::map
```
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，那么你必须手动加锁，或者使用专门的线程安全并发容器（比如Intel TBB的
```
concurrent_vector
```
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）。
全局变量或静态变量： 任何对全局或静态变量的读写操作，只要涉及多个线程，都必须小心。

解决方案：

避免共享： 最好的策略是尽量避免共享状态。让每个并行任务处理自己的独立数据副本，最后再把结果合并。
```
std::reduce
```
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就是一个很好的例子，它就是把数据分成小块，每个线程计算自己的部分和，最后再把这些部分和加起来。
std::atomic
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：对于简单的原子操作，比如计数器、标志位等，
```
std::atomic
```
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是首选。它比互斥锁开销小，而且能保证操作的原子性。
std::mutex
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：当你需要保护一个临界区（一段代码，其中访问共享资源）时，
```
std::mutex
```
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是最常用的工具。配合
```
std::lock_guard
```
登录后复制
或
```
std::unique_lock
```
登录后复制
，可以确保在任何给定时间只有一个线程可以访问受保护的代码。
**线程安全的并发数据结构