C++并发之线程管理

这章是C++并发的第一章内容，主要叙述线程管理、向线程传递参数、转移线程、决定线程的数量、表示线程等。

1. 线程管理的基础

每个程序至少有一个线程：执行main()函数的线程，其余线程有其各自的入口函数。线程与原始线程(以main()为入口函数的线程)同时运行。如同main()函数执行完会退出一样，当线程执行完入口函数后，线程也会退出。在为一个线程创建了一个std::thread对象后，需要等待这个线程结束；不过，线程需要先进行启动。

　　线程启动

　　　　我们可以构造一个std::thread对象,添加头文件<thread>

#include <thread>
void do_some_work();
std::thread my_thread(do_some_work);

 

std::thread可以用可调用类型构造，将带有函数调用符类型的实例传入std::thread类中，替换默认的构造函数：

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

　代码中，提供的函数对象会复制到新线程的存储空间当中，函数对象的执行和调用都在线程的内存空间中进行。函数对象的副本应与原始函数对象保持一致，否则得到的结果会与我们的期望不同。

如果你传递了一个临时变量，而不是一个命名的变量；C++编译器会将其解析为函数声明，而不是类型对象的定义。例如:

std::thread my_thread(background_task());

这里相当与声明了一个名为my_thread的函数，这个函数带有一个参数(函数指针指向没有参数并返回background_task对象的函数)，返回一个std::thread对象的函数，而非启动了一个线程。

我们可以使用括号来避免这个问题：

std::thread my_thread((background_task()));  // 1
std::thread my_thread{background_task()};    // 2

　或使用lambda表达式:

std::thread my_thread([]{
  do_something();
  do_something_else();
});

启动了线程，你需要明确是要等待线程结束(join)，还是让其自主运行(detach)：

如果不等待线程，就必须保证线程结束之前，可访问的数据得有效性。

这种情况很可能发生在线程还没结束，函数已经退出的时候，这时线程函数还持有函数局部变量的指针或引用。下面的清单中就展示了这样的一种情况。

例1:

struct func
{
  int& i;
  func(int& i_) : i(i_) {}
  void operator() ()
  {
    for (unsigned j=0 ; j<1000000 ; ++j)
    {
      do_something(i);           // 1 潜在访问隐患：悬空引用
    }
  }
};
void oops()
{
  int some_local_state=0;
  func my_func(some_local_state);
  std::thread my_thread(my_func);
  my_thread.detach();          // 2 不等待线程结束
}   

这个例子中，已经决定不等待线程结束(使用了detach() ② )，所以当oops()函数执行完成时③，新线程中的函数可能还在运行。如果线程还在运行，它就会去调用do_something(i)函数①，这时就会访问已经销毁的变量。如同一个单线程程序——允许在函数完成后继续持有局部变量的指针或引用；

运行顺序如下表:

主线程	新线程
使用some_local_state构造my_func
开启新线程my_thread
	启动
	调用func::operator()
将my_thread分离	执行func::operator();可能会在do_something中调用some_local_state的引用
销毁some_local_state	持续运行
退出oops函数	持续执行func::operator()；可能会在do_something中调用some_local_state的引用 —> 导致未定义行为

处理这种情况的常规方法：使线程函数的功能齐全，将数据复制到线程中，而非复制到共享数据中。如果使用一个可调用的对象作为线程函数，这个对象就会复制到线程中，而后原始对象就会立即销毁。但对于对象中包含的指针和引用还需谨慎。

　　线程等待:

如果需要等待线程，相关的std::thread实例需要使用join()。将my_thread.detach()替换为my_thread.join()，就可以确保局部变量在线程完成后，才被销毁。在这种情况下，因为原始线程在其生命周期中并没有做什么事，使得用一个独立的线程去执行函数变得收益甚微，但在实际编程中，原始线程要么有自己的工作要做；要么会启动多个子线程来做一些有用的工作，并等待这些线程结束。

join()是简单粗暴的等待线程完成或不等待。当你需要对等待中的线程有更灵活的控制时，比如，看一下某个线程是否结束，或者只等待一段时间(超过时间就判定为超时)。想要做到这些，你需要使用其他机制来完成，比如条件变量和期待(futures)。调用join()的行为，还清理了线程相关的存储部分，这样std::thread对象将不再与已经完成的线程有任何关联。这意味着，只能对一个线程使用一次join();一旦已经使用过join()，std::thread对象就不能再次加入了，当对其使用joinable()时，将返回false。

　　注意:

如前所述，需要对一个还未销毁的std::thread对象使用join()或detach()。如果想要分离一个线程，可以在线程启动后，直接使用detach()进行分离。如果打算等待对应线程，则需要细心挑选调用join()的位置。当在线程运行之后产生异常，在join()调用之前抛出，就意味着这次调用会被跳过。

避免应用被抛出的异常所终止，就需要作出一个决定。通常，当倾向于在无异常的情况下使用join()时，需要在异常处理过程中调用join()，从而避免生命周期的问题。下面的程序清单是一个例子。

struct func; // 定义在清单2.1中
void f()
{
  int some_local_state=0;
  func my_func(some_local_state);
  std::thread t(my_func);
  try
  {
    do_something_in_current_thread();
  }
  catch(...)
  {
    t.join();  // 1
    throw;
  }
  t.join();  // 2
}

　代码使用了try/catch块确保访问本地状态的线程退出后，函数才结束。当函数正常退出时，会执行到②处；当函数执行过程中抛出异常，程序会执行到①处。try/catch块能轻易的捕获轻量级错误，所以这种情况，并非放之四海而皆准。如需确保线程在函数之前结束——查看是否因为线程函数使用了局部变量的引用，以及其他原因——而后再确定一下程序可能会退出的途径，无论正常与否，可以提供一个简洁的机制，来做解决这个问题。

一种方式是使用“资源获取即初始化方式”(RAII，Resource Acquisition Is Initialization)，并且提供一个类，在析构函数中使用join()，如同下面清单中的代码。看它如何简化f()函数。

class thread_guard
{
  std::thread& t;
public:
  explicit thread_guard(std::thread& t_):
    t(t_)
  {}
  ~thread_guard()
  {
    if(t.joinable()) // 1
    {
      t.join();      // 2
    }
  }
  thread_guard(thread_guard const&)=delete;   // 3
  thread_guard& operator=(thread_guard const&)=delete;
};
struct func; 
void f()
{
  int some_local_state=0;
  func my_func(some_local_state);
  std::thread t(my_func);
  thread_guard g(t);
  do_something_in_current_thread();
}    // 4

　

线程执行到④处时，局部对象就要被逆序销毁了。因此，thread_guard对象g是第一个被销毁的，这时线程在析构函数中被加入②到原始线程中。即使do_something_in_current_thread抛出一个异常，这个销毁依旧会发生。

在thread_guard的析构函数的测试中，首先判断线程是否已加入①，如果没有会调用join()②进行加入。这很重要，因为join()只能对给定的对象调用一次，所以对给已加入的线程再次进行加入操作时，将会导致错误。

拷贝构造函数和拷贝赋值操作被标记为=delete③，是为了不让编译器自动生成它们。直接对一个对象进行拷贝或赋值是危险的，因为这可能会弄丢已经加入的线程。通过删除声明，任何尝试给thread_guard对象赋值的操作都会引发一个编译错误。想要了解删除函数的更多知识，请参阅附录A的A.2节。

如果不想等待线程结束，可以分离_(_detaching)线程，从而避免异常安全(exception-safety)问题。不过，这就打破了线程与std::thread对象的联系，即使线程仍然在后台运行着，分离操作也能确保std::terminate()在std::thread对象销毁才被调用。

后台运行线程:

使用detach()会让线程在后台运行，这就意味着主线程不能与之产生直接交互。也就是说，不会等待这个线程结束；如果线程分离，那么就不可能有std::thread对象能引用它，分离线程的确在后台运行，所以分离线程不能被加入。不过C++运行库保证，当线程退出时，相关资源的能够正确回收，后台线程的归属和控制C++运行库都会处理。

通常称分离线程为守护线程(daemon threads)，UNIX中守护线程是指，没有任何显式的用户接口，并在后台运行的线程。这种线程的特点就是长时间运行；线程的生命周期可能会从某一个应用起始到结束，可能会在后台监视文件系统，还有可能对缓存进行清理，亦或对数据结构进行优化。另一方面，分离线程的另一方面只能确定线程什么时候结束，发后即忘(fire and forget)的任务就使用到线程的这种方式。

调用std::thread成员函数detach()来分离一个线程。之后，相应的std::thread对象就与实际执行的线程无关了，并且这个线程也无法加入：

std::thread t(do_background_work);
t.detach();
assert(!t.joinable());

　

为了从std::thread对象中分离线程(前提是有可进行分离的线程),不能对没有执行线程的std::thread对象使用detach(),也是join()的使用条件，并且要用同样的方式进行检查——当std::thread对象使用t.joinable()返回的是true，就可以使用t.detach()。

试想如何能让一个文字处理应用同时编辑多个文档。无论是用户界面，还是在内部应用内部进行，都有很多的解决方法。虽然，这些窗口看起来是完全独立的，每个窗口都有自己独立的菜单选项，但他们却运行在同一个应用实例中。一种内部处理方式是，让每个文档处理窗口拥有自己的线程；每个线程运行同样的的代码，并隔离不同窗口处理的数据。如此这般，打开一个文档就要启动一个新线程。因为是对独立的文档进行操作，所以没有必要等待其他线程完成。因此，这里就可以让文档处理窗口运行在分离的线程上。

下面代码简要的展示了这种方法：

void edit_document(std::string const& filename)
{
  open_document_and_display_gui(filename);
  while(!done_editing())
  {
    user_command cmd=get_user_input();
    if(cmd.type==open_new_document)
    {
      std::string const new_name=get_filename_from_user();
      std::thread t(edit_document,new_name);  // 1
      t.detach();  // 2
    }
    else
    {
       process_user_input(cmd);
    }
  }
}

　如果用户选择打开一个新文档，需要启动一个新线程去打开新文档①，并分离线程②。与当前线程做出的操作一样，新线程只不过是打开另一个文件而已。所以，edit_document函数可以复用，通过传参的形式打开新的文件。

　　2.　向线程函数传递参数

向std::thread构造函数中的可调用对象，或函数传递一个参数很简单。需要注意的是，默认参数要拷贝到线程独立内存中，即使参数是引用的形式，也可以在新线程中进行访问。再来看一个例子：

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

　码创建了一个调用f(3, “hello”)的线程。注意，函数f需要一个std::string对象作为第二个参数，但这里使用的是字符串的字面值，也就是char const *类型。之后，在线程的上下文中完成字面值向std::string对象的转化。需要特别要注意，当指向动态变量的指针作为参数传递给线程的情况，代码如下：

void f(int i,std::string const& s);
void oops(int some_param)
{
  char buffer[1024]; // 1
  sprintf(buffer, "%i",some_param);
  std::thread t(f,3,buffer); // 2
  t.detach();
}

这种情况下，buffer①是一个指针变量，指向本地变量，然后本地变量通过buffer传递到新线程中②。并且，函数有很有可能会在字面值转化成std::string对象之前崩溃(oops)，从而导致一些未定义的行为。并且想要依赖隐式转换将字面值转换为函数期待的std::string对象，但因std::thread的构造函数会复制提供的变量，就只复制了没有转换成期望类型的字符串字面值。

解决方案就是在传递到std::thread构造函数之前就将字面值转化为std::string对象：

void f(int i,std::string const& s);
void not_oops(int some_param)
{
  char buffer[1024];
  sprintf(buffer,"%i",some_param);
  std::thread t(f,3,std::string(buffer));  // 使用std::string，避免悬垂指针
  t.detach();
}

　还可能遇到相反的情况：期望传递一个非常量引用(但这不会被编译)，但整个对象被复制了。你可能会尝试使用线程更新一个引用传递的数据结构，比如：

void update_data_for_widget(widget_id w,widget_data& data); // 1
void oops_again(widget_id w)
{
  widget_data data;
  std::thread t(update_data_for_widget,w,data); // 2
  display_status();
  t.join();
  process_widget_data(data);
}

　虽然update_data_for_widget①的第二个参数期待传入一个引用，但是std::thread的构造函数②并不知晓；构造函数无视函数期待的参数类型，并盲目的拷贝已提供的变量。不过，在代码会将参数以右值的方式进行拷贝传递，这是为了照顾到那些只能进行移动的类型，而后会以右值为参数调用update_data_for_widget。因为函数期望的是一个非常量引用作为参数，而非一个右值作为参数，所以会在编译时出错。对于熟悉std::bind的开发者来说，问题的解决办法是显而易见的：可以使用std::ref将参数转换成引用的形式，从而可将线程的调用改为以下形式：

std::thread t(update_data_for_widget,w,std::ref(data));

　在这之后，update_data_for_widget就会接收到一个data变量的引用，而非一个data变量拷贝的引用，这样代码就能顺利的通过编译。

如果你熟悉std::bind，就应该不会对以上述传参的形式感到奇怪，因为std::thread构造函数和std::bind的操作都在标准库中定义好了，可以传递一个成员函数指针作为线程函数，并提供一个合适的对象指针作为第一个参数：

class X
{
public:
  void do_lengthy_work();
};
X my_x;
std::thread t(&X::do_lengthy_work,&my_x); // 1

这段代码中，新线程将my_x.do_lengthy_work()作为线程函数；my_x的地址①作为指针对象提供给函数。也可以为成员函数提供参数：std::thread构造函数的第三个参数就是成员函数的第一个参数，以此类推:

class X
{
public:
  void do_lengthy_work(int);
};
X my_x;
int num(0);
std::thread t(&X::do_lengthy_work, &my_x, num);

　提供的参数可以移动，但不能拷贝。”移动”是指:原始对象中的数据转移给另一对象，而转移的这些数据就不再在原始对象中保存了,std::unique_ptr就是这样一种类型,这种类型为动态分配的对象提供内存自动管理机制, 同一时间内，只允许一个std::unique_ptr实现指向一个给定对象，并且当这个实现销毁时，指向的对象也将被删除。移动构造函数(move constructor)和移动赋值操作符(move assignment operator)允许一个对象在多个std::unique_ptr实现中传递, 使用”移动”转移原对象后，就会留下一个空指针(NULL)。移动操作可以将对象转换成可接受的类型，例如:函数参数或函数返回的类型。当原对象是一个临时变量时，自动进行移动操作，但当原对象是一个命名变量，那么转移的时候就需要使用std::move()进行显示移动。下面的代码展示了std::move的用法，展示了std::move是如何转移一个动态对象到一个线程中去的：

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));

std::thread的构造函数中指定std::move(p)，big_object对象的所有权就被首先转移到新创建线程的的内部存储中，之后传递给process_big_object函数。