2.1 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。下面就来启动线程。

2.1.1 启动线程

第1章中,线程在std::thread对象创建(为线程指定任务)时启动。最简单的情况下,任务也会很简单,通常是无参数无返回的函数。这种函数在其所属线程上运行,直到函数执行完毕,线程也就结束了。在一些极端情况下,线程运行时,任务中的函数对象需要通过某种通讯机制进行参数的传递,或者执行一系列独立操作;可以通过通讯机制传递信号,让线程停止。线程要做什么,以及什么时候启动,其实都无关紧要。总之,使用C++线程库启动线程,可以归结为构造std::thread对象:

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

为了让编译器识别std::thread类,这个简单的例子也要包含<thread>头文件。如同大多数C++标准库一样,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。

有件事需要注意,当把函数对象传入到线程构造函数中时,需要避免“最令人头痛的语法解析”(C++’s most vexing parse, 中文简介)。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。

使用在前面命名函数对象的方式,或使用多组括号①,或使用新统一的初始化语法②,可以避免这个问题。

如下所示:

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

使用lambda表达式也能避免这个问题。lambda表达式是C++11的一个新特性,它允许使用一个可以捕获局部变量的局部函数(可以避免传递参数,参见2.2节)。想要具体的了解lambda表达式,可以阅读附录A的A.5节。之前的例子可以改写为lambda表达式的类型:

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(_加入式_——参见2.1.2节),还是让其自主运行(_分离式_——参见2.1.3节)。如果std::thread对象销毁之前还没有做出决定,程序就会终止(std::thread的析构函数会调用std::terminate())。因此,即便是有异常存在,也需要确保线程能够正确的_加入_(joined)或_分离_(detached)。2.1.3节中,会介绍对应的方法来处理这两种情况。需要注意的是,必须在std::thread对象销毁之前做出决定,否则你的程序将会终止(std::thread的析构函数会调用std::terminate(),这时再去决定会触发相应异常)。

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。这不是一个新问题——单线程代码中,对象销毁之后再去访问,也会产生未定义行为——不过,线程的生命周期增加了这个问题发生的几率。

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。

清单2.1 函数已经返回,线程依旧访问局部变量

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
} // 3 新线程可能还在运行

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;当然,这从来就不是一个好主意——这种情况发生时,错误并不明显,会使多线程更容易出错。运行顺序参考表2.1。

表2.1 分离线程在局部变量销毁后,仍对该变量进行访问

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,例如清单2.1所示。使用一个能访问局部变量的函数去创建线程是一个糟糕的主意(除非十分确定线程会在函数完成前结束)。

此外,可以通过join()函数来确保线程在函数完成前结束。

2.1.2 等待线程完成

如果需要等待线程,相关的std::thread实例需要使用join()。清单2.1中,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),相关的讨论将会在第4章继续。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。

2.1.3 特殊情况下的等待

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。

清单 2.2 等待线程完成

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
}

清单2.2中的代码使用了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。

清单 2.3 使用RAII等待线程完成

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; // 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);
thread_guard g(t);
do_something_in_current_thread();
} // 4

当线程执行到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()std::thread对象销毁才被调用。

2.1.4 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。

如2.1.2节所示,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:

清单2.4 使用分离线程去处理其他文档

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。

这个例子也展示了传参启动线程的方法:不仅可以向std::thread构造函数①传递函数名,还可以传递函数所需的参数(实参)。C++线程库的方式也不是很复杂。当然,也有其他方法完成这项功能,比如:使用一个带有数据成员的成员函数,代替一个需要传参的普通函数。