std::thread 的构造-源码解析
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我们这单章是为了专门解释一下 C++11 引入的 std::thread
是如何构造的,是如何创建线程传递参数的,让你彻底了解这个类。
我们以 MSVC 实现的 代码进行讲解,MSVC STL 很早之前就不支持 C++11 了,它的实现完全基于 C++14,出于某些原因 C++17 的一些库(如 , _v 变量模板)被向后移植到了 C++14 模式,所以即使是 C++11 标准库设施,实现中可能也是使用到了 C++14、17 的东西。
std::thread
的数据成员了解一个庞大的类,最简单的方式就是先看它的数据成员有什么。
std::thread
只保有一个私有数据成员 :
是一个结构体,它保有两个数据成员:
结构很明确,这个结构体的 _Hnd
成员是指向线程的句柄,_Id
成员就是保有线程的 ID。
在64 位操作系统,因为内存对齐,指针 8 ,无符号 int 4,这个结构体 _Thrd_t
就是占据 16 个字节。也就是说 sizeof(std::thread)
的结果应该为 16。
std::thread
的构造函数默认构造函数,构造不关联线程的新 std::thread 对象。
移动构造函数,转移线程的所有权,构造 other 关联的执行线程的 std::thread
对象。此调用后 other 不再表示执行线程失去了线程的所有权。
复制构造函数被定义为弃置的,std::thread 不可复制。两个 std::thread 不可表示一个线程,std::thread 对线程资源是独占所有权。
构造新的 std::thread
对象并将它与执行线程关联。表示新的执行线程开始执行。
前三个构造函数都没啥要特别聊的,非常简单,只有第四个构造函数较为复杂,且是我们本章重点,需要详细讲解。(注意 MSVC 使用标准库的内容很多时候不加 std::,脑补一下就行)
也就满足了我们的要求,重载决议选择到了弃置复制构造函数产生编译错误,这也就是源码中添加约束的目的。
它也是一个可变参数成员函数模板,接受一个可调用对象 _Fn
和一系列参数 _Args...
,这些东西用来创建一个线程。
using _Tuple = tuple<decay_t<_Fn>, decay_t<_Args>...>
auto _Decay_copied = _STD make_unique<_Tuple>(_STD forward<_Fn>(_Fx), _STD forward<_Args>(_Ax)...)
constexpr auto _Invoker_proc = _Get_invoke<_Tuple>(make_index_sequence<1 + sizeof...(_Args)>{})
_Get_invoke 函数很简单,就是接受一个元组类型,和形参包的索引,传递给 _Invoke 静态成员函数模板,实例化,获取它的函数指针。
_Invoke 是重中之重,它是线程实际执行的函数,如你所见它的形参类型是 void*
,这是必须的,要符合 _beginthreadex
执行函数的类型要求。虽然是 void*
,但是我可以将它转换为 _Tuple*
类型,构造一个独占智能指针,然后调用 get() 成员函数获取底层指针,解引用指针,得到元组的引用初始化_Tup
。
_Thr._Hnd = reinterpret_cast<void*>(_CSTD _beginthreadex(nullptr, 0, _Invoker_proc, _Decay_copied.get(), 0, &_Thr._Id))
if (_Thr._Hnd) {
如果线程句柄 _Thr._Hnd
不为空,则表示线程已成功启动,将独占指针的所有权转移给线程。
(void) _Decay_copied.release()
释放独占指针的所有权,因为已经将参数传递给了线程。
} else { // failed to start thread
如果线程启动失败,则进入这个分支
_Thr._Id = 0;
将线程ID设置为0。
_Throw_Cpp_error(_RESOURCE_UNAVAILABLE_TRY_AGAIN);
抛出一个 C++ 错误,表示资源不可用,请再次尝试。
__gthread_t
即void*
。
我们这里的源码解析涉及到的 C++ 技术很多,我们也没办法每一个都单独讲,那会显得文章很冗长,而且也不是重点。
学习完了也不要忘记了回答最初的问题:
如何做到的默认按值复制?
_Start
的第一行代码展示了这一点。我们将传入的所有参数包装成一个元组类型,这些类型先经过 decay_t
处理,去除了引用与 cv 限定,自然就实现了默认复制。
为什么需要 std::ref
?
实现中将类型先经过 decay
处理,如果要传递引用,则必须用类包装一下才行,使用 std::ref
函数就会返回一个包装对象。
如何支持只能移动的对象?
参数通过完美转发,最终调用时使用 std::move
,这在线程实际执行的函数 _Invoke
中体现出来:
源码的实现很简单,主要是通过两层包装,最终将 void*
指针转换到原类型,然后使用 std::invoke
进行调用。
如何创建的线程?
MSVC STL 调用 Win32 API _beginthreadex
创建线程;libstdc++ 调用 __gthread_create
函数创建线程,在 Windows 上实际上就是调用 CreateThread
。 _beginthreadex
和 CreateThread
都是微软提供的用于创建线程的 C 风格接口,它们的主要区别在于前者依赖于 C 运行时库,而后者更适合纯 Windows API 的情况。使用 _beginthreadex
可以确保正确初始化和清理 C 运行时库资源,而 CreateThread
则适用于不依赖于 C 运行时库的环境。
传递参数一节中的:“std::thread
内部会将保有的参数副本转换为右值表达式进行传递”到底是如何做到的?
这就是第三个问题,差不多,无非是最后调用 std::invoke
函数之前,先 std::move
了。
std::thread
有四个,分别是:
了数据成员 _Thr ,这里的效果相当于给其成员 _Hnd
和 _Id
都进行。
是一个宏,展开就是 ::std::
,也就是 ,将 _Other._Thr
赋为 {}
(也就是置空),返回 _Other._Thr
的旧值用以初始化当前对象的数据成员 _Thr
。
如你所见,这个构造函数本身并没有做什么,它只是一个可变参数成员函数模板,增加了一些 进行约束我们传入的对象的类型不能是 std::thread
。关于这个约束你可能有问题,因为 std::thread
他并没有 operator()
的重载,不是可调用类型,这个 enable_if_t
的意义是什么呢?其实很简单,如下:
以上这段代码可以正常的。这是重载决议的事情,我们知道,std::thread
是不可复制的,这种代码自然不应该让它通过编译,选择到我们的有参构造,所以我们添加一个约束让其不能选择到我们的有参构造:
这样,这段代码就会正常的出现,信息如下:
而构造函数体中调用了一个函数 ,将我们构造函数的参数全部完美转发,去调用它,这个函数才是我们的重点,如下:
定义了一个类型 _Tuple
,它包含了可调用对象和参数的类型,这里使用了 来去除了类型的引用和 cv 限定。
使用 创建了一个独占指针,指向的是 _Tuple
类型的对象,存储了传入的函数对象和参数的副本。
调用 函数,传入 _Tuple
类型和一个参数序列的索引序列(为了遍历形参包)。这个函数用于获取一个函数指针,指向了一个静态成员函数 ,它是线程实际执行的函数。这两个函数都非常的简单,我们来看看:
它的形参类型我们不再过多介绍,你只需要知道 这个东西可以用来接收一个由 make_index_sequence
创建的索引形参包,帮助我们进行遍历元组即可。。
此时,我们就可以进行调用了,使用 + std::move
(默认移动) ,这里有一个形参包展开,_STD get<_Indices>(_Tup))...
,_Tup 就是 std::tuple 的引用,我们使用 std::get<>
获取元组存储的数据,需要传入一个索引,这里就用到了 _Indices
。展开之后,就等于 invoke 就接受了我们构造 std::thread 传入的可调用对象,调用可调用对象的参数,invoke 就可以执行了。
调用 函数来启动一个线程,并将线程句柄存储到 _Thr._Hnd
中。传递给线程的参数为 _Invoker_proc
(一个静态函数指针,就是我们前面讲的 _Invoke)和 _Decay_copied.get()
(存储了函数对象和参数的副本的指针)。
需要注意,libstdc++ 和 libc++ 可能不同,就比如它们 64 位环境下 sizeof(std::thread)
的结果就可能是 8。libstdc++ 的实现只。。不过实测 gcc 不管是 win32
还是 POSIX
线程模型,线程对象的大小都是 8,宏 _GLIBCXX_HAS_GTHREADS
的值都为 1()。
相信你也感受到了,不会模板,你阅读标准库源码,是无稽之谈,市面上很多教程教学,教导一些实现容器,过度简化了,真要去出错了去看标准库的代码,那是不现实的。不需要模板的水平有多高,也不需要会什么元编程,但是基本的需求得能做到,得会,这里推荐一下:。
如何做到接受任意对象?