如何使用 C++ 函数创建可伸缩的高性能并发程序？

使用 c++++ 函数式编程特性可以创建可伸缩的高性能并发程序：使用 lambda 表达式和函数对象定义无状态的并发代码块；利用 std::for_each 和 std::transform 等并行算法并发执行代码块；采用 std::async 和 std::future 用于创建和管理并行任务；实践示例展示了并行素性检查，涉及创建整数数组、使用 std::async 并行检查素性、等待任务完成并收集结果。

使用 C++ 函数创建可伸缩的高性能并发程序

引言

在现代多核计算环境中，开发可伸缩的高性能并发程序至关重要。C++ 提供了丰富的函数式特性，可简化此过程。本文将探讨如何使用 C++ 函数创建可伸缩的并发程序，并提供一个实战案例。

函数式并发

C++ 中的函数式编程通过 lambda 表达式和函数对象（即 functors）支持并发。这些特性使我们能够定义无状态且可并行执行的代码块。例如：

std::function sum = [](int a, int b) { return a + b; };

此 lambda 表达式定义了一个无状态函数，它计算两个整数的和。

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并行算法

C++ 标准库提供了强大的并行算法，如 std::for_each 和 std::transform。这些算法使用多线程并发执行代码块：

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std::vector numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), numbers.begin(), [](int n) { return n * n; });

此代码使用 std::transform 将数字数组的每个元素平方，并行执行此操作。

实战案例：并行素性检查

为了展示函数式并发，我们编写一个程序来并行检查大量数字的素性。以下是算法的步骤：

1. 创建一个整数数组。
2. 使用 std::async 创建并行的任务来检查每个数字的素性。
3. 等待所有任务完成并收集结果。

C++ 代码

#include 
#include 
#include 

bool is_prime(int n) {
  for (int i = 2; i <= n / 2; ++i) {
    if (n % i == 0) {
      return false;
    }
  }
  return true;
}

int main() {
  std::vector numbers = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11};

  std::vector> results;
  for (int n : numbers) {
    results.push_back(std::async(std::launch::async, is_prime, n));
  }

  std::vector primes;
  for (auto& result : results) {
    primes.push_back(result.get());
  }

  for (int i = 0; i < numbers.size(); ++i) {
    std::cout << numbers[i] << (primes[i] ? " is prime" : " is not prime") << std::endl;
  }

  return 0;
}

在这个示例中，is_prime 函数是一个无状态函数，它检查单个数字的素性。std::async 用于创建并行任务，而 std::future 用于获取任务结果。主函数等待所有任务完成，然后将结果打印到控制台上。

结论

C++ 函数式编程特性提供了创建可伸缩高性能并发程序的强大平台。通过结合 lambda 表达式、函数对象和并行算法，我们可以有效地处理多线程环境中的复杂计算任务。本文展示的实战案例进一步说明了这些特性的实用性。