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
/// 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()
)
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;
}
};