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  • std::thread使用

    本文将从以下三个部分介绍C++11标准中的thread类,本文主要内容为:

    • 启动新线程
    • 等待线程与分离线程
    • 线程唯一标识符

    1.启动线程

       线程再std::threada对象创建时启动。最简单的情况下,任务叶会很简单,通常是无参数无返回的函数。使用C++线程库启动线程,就是构造std::thread对象。

       void do_some_work();

       std::thread my_thread(do_some_work);

    如同大多数标准库一样,std::thread可以调用(CallAble)类型构造,如下所示:

    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中,函数对象的调用与执行都在线程的内存空间中。

    可以使用Lambda创建线程的执行体,如下:

    boost::thread myThread([]
    {
    do_something();
    do_something_else();
    });

        启动了线程需要明确是要等待线程结束,还是让其进行自主运行。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)。

    2.等待线程完成

        如果需要等待线程相关的std::thread实例需要调用join().join是简单粗暴的等待线程完成或不等待,调用join的行为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,std::thread对象就不能再次加入了,当对其使用joinable时将返回false.

    3.后台运行线程

        使用detach()会让线程在后台运行,这意味着主线程不能与其产生直接交互,也就是说不会等待这个线程结束。如果分离线程,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。C++运行库保证,当线程退出时,相关资源能够正确收回,后台线程的控制和归属,C++运行库都会处理。

        通常称分离线程为守护线程,即没有任何用户接口,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,可能会在后台见识文件系统,还可能对缓存进行清理,亦或对数据结构进行优化。另一方面,分离线程只能确定线程什么时候结束,“发后即忘”的任务就使用到线程的这种方式。

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

    如上代码所示,调用std::thread的成员函数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,并且这个线程也不可条用join()。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()。

    4.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。需要注意到的是,参数默认是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,如下所示。

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

    代码中创建了一个调用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 *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。需要注意的是,指向动态分配的内存的指针传递给线程的情况,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,buffer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。并且函数很可能会在字面值转化为std::string对象之前崩掉,从而导致一些未定义行为,并且想要依赖隐式转换将字面值转为为函数期待的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,就将字面值转换为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();
    }

    不过也有成功的情况:复制一个引用。在线程更新数据结构时,会成功的传递一个引用:

    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); // 3
    }

    虽然update_data_for_widget的第二个参数期待传入一个引用,但是std::thread的构造函数2并不知道。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。当线程调用update_data_for_widget函数时,传递给函数的是data变量拷贝的引用,而非数据本身的引用。因此拷贝的数据将会在线程结束时被销毁,且3处将会接收到没有被修改的的data变量。可以使用std::ref将参数转换称引用的形式,从而可以将线程的调用转换为一下形式:

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

    在这之后,update_data_for_widget将会接受一个data变量的引用,而非一个data变量拷贝的引用。

    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二个参数:如下所示,

    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,如下:

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

    5.转移线程所有权

        假设要在后台写一个启动线程的函数,想通过新线程的所有权去调用这个函数,而不是等待线程结束再去调用;或完全相反的想法:创建一个线程,并在函数中转移所有权,都必须要等待线程结束。总之,新线程的所有权都需要转移。这就是std::thread引入Move的原因。如下所示代码,创建了两个执行线程,并且在std::thread(t1,t2,t3)之间转移所有权:

    void some_function();
    void some_other_function();
    std::thread t1(some_function); // 1
    std::thread t2=std::move(t1); // 2
    t1=std::thread(some_other_function); // 3
    std::thread t3; // 4
    t3=std::move(t2); // 5
    t1=std::move(t3); // 6 赋值操作将使程序崩溃

    可移动的含义为当把std::thread对象执行线程所有权转移到别的std::thread对象之后,其自身并不再拥有执行线程的所有权。所以以上代码中,t2不拥有执行线程的所有权,并且试图对拥有执行线程所有权的对象t1(6所示代码)进行移动复制时,程序将会崩溃。

    std::thread支持移动,就意味着线程的所有权可以在函数外进行转移,就如下面的程序一样:

    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;
    }

    6.识别线程

        线程标识类型是std::thread::id,可以通过两种方式进行检索。第一种,可以通过调用std::thread对象的成员函数get_id来直接获取。如果std::thread对象没有与任何执行线程相关联,get_id将返回std::thread::type默认构造值,这个值表示没有线程。第二种,当前线程种调用std::this_thread::get_id()也可以获得线程表示。

        std::thread::id对象可以自由的对比和复制,因为标识符就可以复用。如果两个对象的std::thread::id相等,那它们就是同一个线程,或都没有线程。如果不等,那么就代表了不同的线程,或者一个线程有,另一个线程没有。

    Reference:

    C++ Concurrency In Action Pratical Multithreading.

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