C++ 并发编程实战 第二章 线程管控

第二章 线程管控

std::thread 简介

构造和析构函数

/// 默认构造
/// 创建一个线程，什么也不做
thread() noexcept;

/// 带参构造
/// 创建一个线程，以 A 为参数执行 F 函数
template <class Fn, class... Args>
explicit thread(Fn&& F, Args&&... A);

/// 拷贝构造（不可用）
thread(thread& Other) noexcept = delete;

/// 移动构造
/// 移交线程的归属权
thread(thread&& x) noexcept;

/// 析构函数
~thread();

常用成员函数

/// 等待线程结束并清理资源（会阻塞）
void join();

/// 返回线程是否可以执行 join() 成员函数
bool joinable();

/// 将线程与调用其的线程分离，彼此独立执行（此函数必须在线程创建时立即调用，
/// 且调用此函数会使其不能被join）
void detach();

/// 获取线程id
std::thread::id get_id();

/// 见移动构造函数
thread& operator=(thread&& Other) noexcept;

使用线程类完成线程的基本管控

发起线程

• 线程通过构建 std::thread 对象而自动启动，该对象指明线程要运行的任务。

void do_some_work();
std::thread my_thread(do_some_work);

• 对应复杂的任务，可以使用函数对象。

class background_task{
public:
    void operator()() const{
        do_something();
        do_something_else();
    }
};
background_task f;
std::thread my_thread1(f);

// 使用匿名函数对象
// std::thread my_thread2(background_task());这样写会出错，
// 编译器会解释成函数声明，返回值为 std::thread, 函数名为 my_thread2,
// 函数参数为函数指针类型 background_task (*)(void), 因此改为如下两种方式：
std::thread my_thread2((background_task()));

// 采用新式的统一初始化语法（uniform initialization syntax，又名列表初始化）
std::thread my_thread2{background_task()};

等待线程完成

一旦启动了线程，我们就需明确是要等待它结束（与之汇合 join()），还是任由它独自运行（与之分离 detach()）

std::thread my_thread1(f);
// ...
my_thread1.join();// 等待线程结束并清理资源

❗❗❗ 同一个线程的 .join() 方法不能被重复调用，否则程序会 abort()

对 thread 封装——thread_guard

基于 RAII 原理，对 std::thread 进行封装

// std::thread 封装（基于RAII）
class thread_guard{
    thread& m_thread;
public:
    explicit thread_guard(thread& t):m_thread(t){}
    ~thread_guard() {
        // 检查是否joinable是有必要的，重复 join() 会出错
        if (m_thread.joinable()){
            m_thread.join();
        }
    }
    // C++11 "=delete" 标记，声明拷贝构造和复制赋值操作为被删除的函数
    // 防止拷贝导致重复调用 join()
    thread_guard(thread_guard const&) = delete;
    thread_guard& operator=(thread_guard const&) = delete;
};

int main(){
    thread t([] {cout << "hello" << endl; });
    thread_guard g(t);
}

这样线程，将随着类的析构，自动被回收。

线程后台运行

• 调用 std::thread 对象的成员函数 detach()，会令线程在后台运行，遂无法与之直接通信。
• 线程被分离，就无法等待它完结，也不可能获得与它关联的 std::thread 对象，因而无法汇合该线程。
• 分离的线程确实仍在后台运行，其归属权和控制权都转移给C++运行时库（runtime library，又名运行库），由此保证，一旦线程退出，与之关联的资源都会被正确回收。
• UNIX 操作系统中，有些进程叫作守护进程（daemon process），它们在后台运行且没有对外的用户界面；沿袭这一概念，分离出去的线程常常被称为守护线程（daemon thread）

std::thread t(do_background_work);
t.detach();
assert(!t.joinable());// C++ 断言，表达式为假就输出诊断消息并调用abort()函数中止程序

向线程函数传递参数

void f(int i,std::string const& s);
std::thread t(f,3,"hello");

• thread 执行带有引用类型参数的函数

int b = 10;
// 必须使用 std::ref 指定参数按引用传递，否则参数默认以右值引用传递
// 右值引用无法转换为引用类型参数
thread t([](int& a) { cout << a << endl; }, ref(b));
t.join();

• thread 执行类中的成员函数

class Person {
public:
    void show(string const& name, unsigned int const& age) {
        cout << "name: " << name << endl;
        cout << "age: " << age << endl;
    }
};

int main(){
    Person p;
    // 每个对象的成员函数都有一个默认的参数，就是该对象的指针（this 指针）
    // 因此，这里第一个参数要传入对象的地址
    thread t(&Person::show, &p, "Tom", 22);
    t.join();
}

• thread 执行的函数中，参数使用了移动构造

void process_big_object(std::unique_ptr<big_object>);

std::unique_ptr<big_object> p(new big_object);
p->prepare_data(42);
std::thread t(process_big_object,std::move(p));// 必须使用 std::move() 将左值转换为右值

在C++标准库中，有几个类的归属权语义与 std::unique_ptr 一样，std::thread 类就是其中之一。

它们没有拷贝构造和复制赋值（=delete），只能移动不能复制，保证了任意时刻对于唯一的资源，只有唯一的对象与其对应。

对于 std::thread 只允许将线程归属权从一个对象移动给另一个对象。

移交线程的归属权

/// 移动构造
/// 移交线程的归属权
thread(thread&& x) noexcept;

❗❗❗

只能从一个已关联执行线程的 thread 对象将线程归属权移交给还未关联任何执行线程的 thread 对象。如果后者也关联了某个执行线程，那么操作会使程序 abort()

因此重要原则是：只要std::thread对象正管控着一个线程，就不能简单地向它赋新值，否则该线程会因此被遗弃。

std::thread 支持移动操作的意义是，函数可以便捷地向外部转移线程的归属权

• 从函数内部返回 std::thread 对象

std::thread f(){
    void some_function();
    return std::thread(some_function);
}
std::thread g(){
    void some_other_function(int);
    std::thread t(some_other_function,42);
    return t;
}

• 线程归属权转移到函数内部

void f(std::thread t);
void g(){
    void some_function();
    f(std::thread(some_function));
    
    std::thread t(some_function);
    
    f(std::move(t));
}

thread_guard 升级

• 使得可以直接使用封装好的类创建线程对象，并由类掌管。而不必现先在类外创建具名变量。
• 封装好的类对线程有唯一归属权，不必担心其他对象执行汇合或分离操作。

class soped_thread {
    thread m_thread;
public:
    explicit soped_thread(thread t) : m_thread(move(t)){
        if (!m_thread.joinable()) throw logic_error("No thread");
    }
    ~soped_thread() {
        m_thread.join();
    }
    soped_thread(soped_thread const&) = delete;
    soped_thread& operator=(soped_thread const&) = delete;
};

int main()
{
    soped_thread t{ thread([] {
        int i = 10;
        while (i--)
        {
            cout << i << endl;
            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));
        }
    })};
}

使用示例

例1：thread 的基本使用

线程管控的自动化：若要为多个线程分别直接创建独立变量，还不如将它们集结成组，统一处理。

void do_work(unsigned id) {
    // 可以测试一下 printf 和 cout << id << endl;两种方式输出
    // 使用 cout << id << endl; 输出id和输出endl的连续动作可能被其他线程打断。
    printf("%d\n", id);
}

int main()
{
    vector<thread> threads;
    for (int i = 0; i < 10; i++){
        threads.emplace_back(do_work, i);
    }
    for (auto& entry : threads) entry.join();
}

例2：线程分离的应用场景

场景描述：

一个文字处理的应用程序

同时编辑多个文件，多个独立的顶层窗口，分别与正在编辑的文件逐一对应，窗口各有自己的选项单。

解决方案：使用多线程并行处理。

• 在同一应用程序的实例中运行。
• 相应的内部处理是，每个文件的编辑窗口都在各自线程内运行；每个线程运行的代码相同，而处理的数据有别，因为这些数据与各文件和对应窗口的属性关联。
• 打开一个新文件就需启动一个新线程。新线程只处理打开新文件的请求，并不牵涉等待其他线程的运行和结束。对其他线程而言，该文件由新线程负责，与它们无关。

综上，运行分离线程就成了首选方案。

void edit_document(std::string const& filename)
{
    open_document_and_display_gui(filename);
    while(!done_editing())
    {
        user_command cmd = get_user_input();// 获取用户输入命令
        // 如果用户输入命令是打开新文件，就开启一个新线程，在新线程下打开文件
        if(cmd.type == open_new_document)
        {
            std::string const new_name = get_filename_from_user();
            // 开启新线程打开该文件
            std::thread t(edit_document,new_name);
            t.detach();// 分离新线程
        }
        else
        {
            // 执行用户命令
            process_user_input(cmd);
        }
    }
}

例3：thread 类的封装 joining_thread 类

曾经有一份C++17标准的备选提案，主张引入新的类joining_thread，它与std::thread类似，但只要其执行析构函数，线程即能自动汇合，这点与scoped_thread非常像。可惜C++标准委员会未能达成共识，结果C++17标准没有引入这个类，后来它改名为std::jthread，依然进入了C++20标准的议程（现已被正式纳入C++20标准）。除去这些，实际上joining_thread类的代码相对容易编写，代码清单2.7展示了一个可行的实现。

class joining_thread
{
	std::thread m_thread;
public:
	joining_thread() noexcept = default;
	template<typename Callable, typename ... Args>
	explicit joining_thread(Callable&& func, Args&& ... args)
		: m_thread(std::forward<Callable>(func), std::forward<Args>(args)...)
	{}
	explicit joining_thread(std::thread t) noexcept
		: m_thread(std::move(t))
	{}
	joining_thread& operator=(joining_thread&& other) noexcept
	{
		if (joinable()) join();
		m_thread = std::move(other.m_thread);
		return *this;
	}
	joining_thread& operator=(std::thread other) noexcept
	{
		if (joinable()) join();
		m_thread = std::move(other);
		return *this;
	}
	~joining_thread() noexcept
	{
		if (joinable()) join();
	}
	void swap(joining_thread& other) noexcept
	{
		m_thread.swap(other.m_thread);
	}
	std::thread::id get_id() const noexcept 
	{
		return m_thread.get_id();
	}
	bool joinable() const noexcept
	{
		return m_thread.joinable();
	}
	void join(){ m_thread.join(); }
	void detach() { m_thread.detach(); }

	std::thread& as_thread() noexcept { return m_thread; }

	const std::thread& as_thread() const noexcept
	{
		return m_thread;
	}
};