《C++并发编程实战》读书笔记(1)：线程管控

2023-09-02 10:44 由 MoonZZZ 发表于 #后端开发

1、线程的基本管控

包含头文件<thread>后，通过构建std::thread对象启动线程，任何可调用类型都适用于std::thread。

void do_some_work();

struct BackgroundTask
{
    void operator()() const;
};

//空的thread对象，不接管任何线程函数
std::thread t1;

//传入普通函数
std::thread t2(do_some_work);

//传入lambda函数
std::thread t3([]() { /*do something*/ });

//传入可调用对象
BackgroundTask task;
std::thread t4(task);
//不能使用std::thread t4(BackgroundTask())，虽然本意是传入临时变量，但这会被编译器解释成函数声明。多用一对圆括号或者使用列表初始化可以解决这个问题。
std::thread t5((BackgroundTask()));
std::thread t6{BackgroundTask()};

启动线程后，需要明确是等待它结束、还是任由它独自运行：

调用成员函数join()会先等待线程结束，然后隶属于该线程的任何存储空间都会被清除，std::thread对象不再关联到已结束的线程。
调用成员函数detach()会分离线程使其在后台运行，此后无法获得与它关联的std::thread对象。分离线程的归属权和控制权都转移给了C++运行时库，线程退出时与之关联的资源会被正确回收。

调用了join()或是detach()之后，其joinable()方法将返回false，所以也就不能再调用join()。不能对空的std::thread对象调用join()或是detach()。如果线程启动后既不调用join()也不调用detach()，那么当std::thread对象销毁时，其析构函数将调用std::terminate()终止整个程序。

2、向线程函数传递参数

若需向线程上的函数传递参数，直接向std::thread的构造函数添加更多参数即可。线程具有内部存储空间，参数会按照默认方式先复制到该处，然后这些副本被当作临时变量，以右值形式传递给线程上的函数。即使函数的相关参数按设想应该是引用，上述过程依然会发生。

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

上述代码在新线程上调用f(3, "hello")，尽管f()的第二个参数是std::string类型，但字符串内容仍然以指针const char*的形式传入，直到进入新线程的上下文环境后才转换为std::string类型。所以如果参数是指针，需要特别注意其生命周期，否则可能导致严重问题，例如：

void f(int i, const std::string& s);

void oops(int param)
{
    char buffer[1024];
    sprintf(buffer, "%d", param);
    std::thread t(f, 3, buffer);
    t.detach();
}

buffer是指向局部数组的指针，我们原本设想buffer会在新线程内转换成std::string对象，但在此完成之前，oops()函数很有可能已经退出，导致局部数组被销毁从而引发未定义的行为。这一问题的根源在于：std::thread的构造函数原样复制所提供的值，并未立即将其转换成预期的参数类型，等到转换发生时，指针可能已经失效。所以解决方法就是，在buffer传入std::thread的构造函数之前，就先把它转换成std::string对象：

std::thread t(f, 3, std::string(buffer));

除了指针外，传递引用也需要小心。例如我们想要的是非const引用：

void update_widget_data(WidgetData& data);

void oops()
{
    WidgetData data;
    std::thread t(update_widget_data, data);
    t.join();
}

根据update_widget_data函数的声明，参数需要以引用的方式传入，但std::thread的构造函数对此却毫不知情，它忽略了函数所期望的参数类型，直接复制了我们提供的值。然而，线程库的内部代码会把参数的副本（std::thread构造时由对象data复制得出，位于新线程的内部存储空间）以右值的形式传递给update_widget_data函数，所以这段代码会编译失败，因为不能向非const引用传递右值。解决方法就是使用std::ref()函数加以包装，这样传递给update_widget_data函数的就是指向data的引用，代码就能编译成功：

std::thread t(update_widget_data, std::ref(data));

要将某个类的成员函数设为线程函数，我们需要给出合适的对象指针作为第一个参数，成员函数的参数放在其后的位置。

class X
{
public:
    void do_lengthy_work();
}

X my_x;
std:thread t(&X::do_lengthy_work, &my_x);

对于只能移动、不能复制的对象，传递参数时需要使用std::move()来转移归属权。在下面的例子中，BigObject对象的归属权会发生转移，先进入新创建的线程的内部存储空间，再转移给process_big_object()函数。

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

std::unique_ptr<BigObject> p(new BigObject);
std::thread t(process_big_object, std::move(p));

3、移交线程归属权

std::thread不能复制，但支持移动语义。对于一个具体的执行线程，其归属权可以在多个std::thread实例之间转移。

void some_function();

void some_other_function();

std::thread t1(some_function);
std::thread t2 = std::move(t1); //将线程的归属权显式地转移给t2
t1 = std::thread(some_other_function); //线程原本与std::thread临时对象关联，其归属权随即转移给t1
std::thread t3; //按默认方式构造，未关联任何线程
t3 = std::move(t2); //t2原本关联的线程的归属权转移给t3
//经过上面这些转移，t1与运行some_other_function的线程关联，t2没有关联线程，t3与运行some_function的线程关联

t1 = std::move(t3); //在这次转移之时，t1已经关联运行some_other_function的线程，因此std::thread的析构函数中会调用std::terminate()，终止整个程序。所以只要std::thread对象还在管控着一个线程，就不能简单地向它赋新值。

因为std::thread支持移动语义，所以只要容器同样知悉移动意图，就可以装载std::thread对象。因此我们可以写出下列代码，生成多个线程，然后等待它们运行完成。

void do_work(unsigned id);

void foo()
{
    std::vector<std::thread> threads;
    for (unsigned i = 0; i < 20; ++i)
    {
        threads.push_back(std::thread(do_work, i));
    }
    for (auto& entry : threads)
    {
        entry.join();
    }
}

4、识别线程

使用C++标准库的std::thread::hardware_concurrency()函数可以获取系统中逻辑处理器的数量。如果信息无法获取，该函数可能返回0。

线程ID的类型是std::thread::id，它有两种获取方法：

在与线程关联的std::thread对象上调用成员函数get_id()，即可得到该线程的ID。如果std::thread对象没有关联任何执行线程，则调用get_id()返回的是按默认构造方式生成的std::thread::id对象，表示“线程不存在”。
当前线程的ID可以通过调用std::this_thread::get_id()获取。

std::thread::id对象可以支持很多种操作：

可随意进行复制操作或比较运算。
可用作关联容器（std::set、std::map、std::multiset、std::multimap）的键值，无序关联容器（std::unordered_set、std::unordered_map、std::unordered_multiset、std::unordered_multimap）的键值，或用于排序。
写到输出流，例如std::cout << std::this_thread::get_id();。