C++ 中的并发编程如何与先进的硬件架构（如多核处理器）交互？

并发编程允许程序同时执行多个任务。在多核处理器上，并发程序与硬件交互：1. 线程分派：将线程分配给不同的内核；2. 上下文切换：内核在不同线程之间切换；3. 内存访问：多个线程可以访问共享内存，需要同步机制避免冲突。

C 中的并发编程与多核架构的交互

并发编程是一种编程技术，允许程序在同一时间执行多个任务。在现代计算机中，多核处理器已成为常态，它们提供多个处理核心，可以同时执行多个任务。这使得并发编程成为利用这些先进硬件架构释放性能的关键。

C 中的并发编程

C 支持多种并发编程技术，包括：

• 多线程： 允许创建多个线程，每个线程都独立运行。
• 多进程： 允许创建多个进程，每个进程都是独立的应用程序。
• 异步操作： 允许在后台执行操作，而无需阻塞主线程。

与多核处理器的交互

当并发程序在多核处理器上运行时，它可以以下方式与硬件交互：

• 线程分派： 操作系统将线程分配给不同的内核，允许同时执行多个任务。
• 上下文切换： 当一个内核需要切换到不同线程时，它会保存当前线程的状态并加载新线程的状态。这可能会产生性能开销。
• 内存访问： 多个线程可以同时访问共享内存区域，需要使用锁或其他同步机制来防止冲突。

实战案例

考虑以下 C 代码示例，它使用多线程在多核处理器上执行矩阵乘法：

#include <vector>
#include <thread>

using namespace std;

// 矩阵乘法函数
vector<vector<int>> multiply(const vector<vector<int>>& a, const vector<vector<int>>& b) {
  int n = a.size();
  vector<vector<int>> result(n, vector<int>(n, 0));
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int j = 0; j < n; j++) {
      for (int k = 0; k < n; k++) {
        result[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
      }
    }
  }
  return result;
}

// 多线程矩阵乘法
void parallel_multiply(const vector<vector<int>>& a, const vector<vector<int>>& b, vector<vector<int>>& result) {
  int n = a.size();
  vector<thread> threads;

  // 为每个行创建线程
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    threads.push_back(thread([i, &a, &b, &result] {
      for (int j = 0; j < n; j++) {
        for (int k = 0; k < n; k++) {
          result[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
        }
      }
    }));
  }
  
  // 等待线程完成
  for (thread& t : threads) {
    t.join();
  }
}

// 测试函数
int main() {
  // 创建两个随机矩阵
  int n = 1000;
  vector<vector<int>> a(n, vector<int>(n, rand() % 10));
  vector<vector<int>> b(n, vector<int>(n, rand() % 10));
  
  // 执行单线程和多线程矩阵乘法
  vector<vector<int>> single_thread_result = multiply(a, b);
  vector<vector<int>> parallel_thread_result(n, vector<int>(n, 0));
  parallel_multiply(a, b, parallel_thread_result);
  
  // 检查两个结果是否相等
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int j = 0; j < n; j++) {
      if (single_thread_result[i][j] != parallel_thread_result[i][j]) {
        cout << "Matrices not equal!" << endl;
        return 1;
      }
    }
  }
  cout << "Matrices equal." << endl;
  return 0;
}

这个示例说明了如何在多核处理器上使用多线程来提高矩阵乘法的性能，它创建了多个线程，每个线程计算矩阵一行乘以另一个矩阵的乘积。

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