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C++ 并发编程实战 第二章 线程管控

来源:博客园

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 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idstd::thread::id get_id();/// 见移动构造函数/// 如果对象是 joinable 的,那么会调用 std::terminate() 结果程序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()


【资料图】

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()

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);std::unique_ptr 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 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;templateexplicit joining_thread(Callable&& func, Args&& ... args): m_thread(std::forward(func), std::forward(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;}};

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