C++ 多线程编程系列一：线程管理（std::thread 对象、join、detach、传参、不可拷贝性、所有权转移）

每个 C++ 程序至少有一个线程，并且是由 C++ 运行时启动的，这个线程的线程函数就是 main() 函数。你可以在这个线程中再启动其他线程。std::thread 的构造函数申明如下：

thread() noexcept;
thread( thread&& other ) noexcept;
template< class Function, class... Args >
explicit thread( Function&& f, Args&&... args );
thread( const thread& ) = delete;
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线程的启动

C++ 标准库提供了 std::thread 以支持多线程编程。这里先介绍通过初始化构造函数创建 std::thread 对象的方式启动线程。例如：

 #include
 #include
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;

 void foo() {
      std::cout << "foo begin..." << std::endl;
      std::this_thread::sleep_for(2s);
      std::cout << "foo done!" << std::endl;
 }
 
 int main() {
     std::thread t(foo);
     t.join();
     return 0;
 }
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std::thread t(foo); 创建了一个 std::thread 对象 t，并指定了线程函数 foo，随机即启动了线程。join() 会阻塞到线程函数执行完成。

线程任务可以是任意的可调用类型（callable type）。可调用类型包括：

• 函数指针。我们地一个例子中构建 std::thread 的时候传递的是函数名，会隐式转换为函数指针。例如，上面的例子也可以写成这样：std::thread t(&foo);
• lambda 表达式。
• 具有 operator() 成员函数的类对象（也即仿函数）。
• 可被转换为函数指针的类对象。
• 类成员（函数）指针。

例如，可调用类型为仿函数时：

 class task {
     public:
         void operator() () {
             std::cout << "task begin..." << std::endl;
             std::this_thread::sleep_for(2s);
             std::cout << "task done!" << std::endl;
         }
 };

task f;
std::thread t(f);
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但是，这个时候需要注意下面启动线程的方式就有问题：

std::thread t(task());  
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C++ 编译器会将上述语句解释为一个函数申明，原因可以戳 C++’s most vexing parse 。

在启动了线程后，你需要决定是否等待线程结束（通过 join()）或者让它在后台运行（通过 detach()）。否则，离开 std::thread 对象的作用域时会调用 std::thread 的析构函数，程序将会终止（ std::thread 的析构函数调用了 std::terminate()），例如：

 #include
 #include
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo() {
      std::cout << "foo begin..." << std::endl;
      std::this_thread::sleep_for(2s);
      std::cout << "foo done!" << std::endl;
 }
 
 int main() {
     {
         std::thread t(foo);
         // t.join();
     }
     std::cout << "after thread" << std::endl;
     return 0;
 }
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运行结果为：

terminate called without an active exception
Aborted (core dumped)
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至于为何 std::thread 的析构选择执行 std::terminate()，而不是 join 或 detach，以及如何自定义 RAII 的 std::thread，感兴趣的可以戳 Item 37: Make std::threads unjoinable on all paths. 了解详情。

join 和 detach

等待线程执行完成：join()。

启动线程后，如果你想等待线程执行完成，可以通过调用 std::thread 实例的 join() 函数。一旦调用了 join() ，主线程将会阻塞，直到子线程执行结束。并且 join() 也会清理子线程的会相关的内存空间， std::thread 将不会再对应底层的系统线程，也就是说 join 只能调用一次，调用 join() 后，std::thread 实例将不再是 joinable（joinable() 将返回 false）。例如：

 #include
 #include
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo() {
      std::cout << "foo begin..." << std::endl;
      std::this_thread::sleep_for(1s);
      std::cout << "foo done!" << std::endl;
 }
 
 int main() {
     std::thread t(foo);
     t.join();
     std::cout << "t.joinable(): " << std::boolalpha << t.joinable() << std::endl;
     t.join();
     return 0;
 }
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运行结果为：

foo begin...
foo done!
t.joinable(): false
terminate called after throwing an instance of 'std::system_error'
  what():  Invalid argument
Aborted (core dumped)
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让线程后台运行：detach()。

启动线程后，调用 detach() 将让线程运行在后台。一旦线程 detached，将不能再 joined，线程的所有权和控制权都交给了 C++ 运行时库。

Detached 线程经常被称为守护线程（daemon threads），它运行在后台，没有显示的用户接口。守护线程一般是长时间运行的，经常会在整个程序的生命周期都在运行，经常被用于一些监控任务。

执行完 detach() 后，std::thread 对象就和底层系统执行线程就没有关系了，因此 std::thread 对象也就是 unjoinable 了。

尽量不要传栈中局部变量地址给线程函数，因为局部变量离开作用范围后，子线程中还在通过其地址访问它，这可能导致不符合预期的结果。例如：

 #include 
 #include 
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo(int *p) {
     std::cout << "foo begin..." << std::endl;
     std::this_thread::sleep_for(2s);
     std::cout << *p << std::endl;
     *p = 10; 
     std::cout << "foo end" << std::endl;
 }
 
 void startThread() {
     int i = 11; 
     std::thread t(foo, &i);
     t.detach();
 }
 
 int main() {
     startThread();
     std::this_thread::sleep_for(3s);
     return 0;
 }
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上述代码输出：

foo begin...
0
foo end
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类似地，也要注意尽量不要传入指向堆的地址，因为离开了作用范围，堆的内存也可能被释放。例如：

 #include 
 #include 
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo(int *p) {
     std::cout << "foo begin..." << std::endl;
     std::this_thread::sleep_for(2s);
     std::cout << *p << std::endl;
     *p = 10; 
     std::cout << "foo end" << std::endl;
 }
 
 void startThread() {
     int* p = new int(11); 
     std::thread t(foo, p);
     t.detach();
     delete p;
     p = nullptr;
 }
 
 int main() {
     startThread();
     std::this_thread::sleep_for(3s);
     return 0;
 }
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上述代码输出：

foo begin...
0
foo end
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处理这种问题的一般方法就是不要使用这种共享数据的方法，而是直接将数据拷贝进子线程。

给线程函数传参

给线程函数传参，参数首先被拷贝到线程空间，然后再传递给线程函数。即使线程形参是引用类型，也是先拷贝到线程空间，然后线程函数中对这份拷贝的引用。例如：

 #include 
 #include 
 
 void foo(const int& x) {
     int& y = const_cast<int&>(x);
     std::cout << "foo begin, x = " << y << std::endl;
     y++;
     std::cout << "foo end, x = " << y << std::endl;
 }
 
 int main() {
     int x = 10;
     std::thread t(foo, x);
     t.join();
     std::cout << "after thread join, x = " << x << std::endl;
     return 0;
 }
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上述代码的输出为：

foo begin, x = 10
foo end, x = 11
after thread join, x = 10
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如果一定要传入引用，可以借助于 std::ref 传参，将 std::thread t(foo, x) 修改为 std::thread t(foo, std::ref(x)) ，修改后程序输出为：

foo begin, x = 10
foo end, x = 11
after thread join, x = 11
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值得注意的是：为了支持 move-only 类型，实参从主线程传递到子线程其实包括两个步骤：

• 第一步：在 std::thread 对象构造时，将实参拷贝到子线程的线程空间。也就是说，子线程空间保存的是主线程实参的副本。
• 第二步：在向线程函数传参时，将副本作为右值（通过 std::move() 转换）传递给线程函数。

例如，下面的代码是无法编译的：

 #include 
 #include 
 
 void foo（int& x) {
     std::cout << "foo begin, x = " << x << std::endl;
     x++;
     std::cout << "foo end, x = " << x << std::endl;
 }
 
 int main() {
     int x = 10;
     std::thread t(foo, x);
     t.join();
     std::cout << "after thread join, x = " << x << std::endl;
     return 0;
 }
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因为，无法在子线程给线程函数传递的是一个右值，而右值是无法绑定到一个非 const 的左值的。解决办法，也是在创建线程对象时，使用 std::ref 对实参进行包裹：

std::thread t(foo, std::ref(x));
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传地址或者引用时，需要注意的陷阱可以参考上一节的 让线程后台运行：detach()。

前面也提到过：参数首先被拷贝到线程空间，然后再传递给线程函数。如果传入的参数存在隐式转换，也是在先将参数拷贝到线程空间中，然后再传给线程函数时候才隐式转换。例如：

 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo(int x, const std::string& s) {
     std::cout << __func__ << std::endl;
     std::cout << "x: " << x << std::endl;
     std::cout << "s: " << s << std::endl;
 }
 
 int main() {
     {
         int x = 10;
         const char str[] = "hello world!";
         char *buf = new char[13];
         strcpy(buf, str);
         std::thread t(foo, x, buf);
         t.detach();
         delete buf;
         buf = nullptr;
 
     }
     std::this_thread::sleep_for(1s);
     return 0;
 }
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上面的代码输出为：

foo
x: 10
s: 
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foo 中 s 竟然为空。这是因为，创建线程对象 t 的时候，是将 buf 的指针传给了 线程 t 的线程空间，然后在线程 t 的上下文中再隐式转为 std::string 类型，最后传给 foo。但是由于 t.detach() 后就释放了 buf，但很可能在 std::string 构造前，buf 已经释放了。一种解决方案是传参时显示构造 std::string ，也即：

std::thread t(foo, x, std::string(buf));
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如果使用类成员函数作为创建 std::thread 对象的线程函数，需要同时传递对象指针。例如：

 #include 
 #include 
 
 class A { 
     public:
         A() {}
         A(const A& a) {}
         void foo(int x) { 
             std::cout << "A::foo: x = " << x << std::endl;
         }
 };
 
 int main() { 
     A a;
     int x = 10;
     std::thread t(&A::foo, &a, x);
     t.join();
     return 0;
 }
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如果 foo 是 A 的静态成员函数，则无需传入 A 的对象。例如：

 #include 
 #include 
 
 class A {
     public:
         A() {}
         A(const A& a) {}
         static void foo(int x) {
             std::cout << "A::foo: x = " << x << std::endl;
         }
 };
 
 int main() {
     A a;
     int x = 10;
     std::thread t(&A::foo, x);
     t.join();
     return 0;
 }
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这是和 std::bind 的机制类似。

如果创建 std::thread 对象时，传入的实参类型是不可拷贝的类型（例如 std::unique_ptr）,也即 move-only 类型，则需要使std::move 进行转换。此时，上面介绍的传参第一步的拷贝将会调用移动构造。例如：

 #include 
 #include 
 
 void foo(std::unique_ptr<int> up) {
     std::cout << "foo: " << up.get() << std::endl;
 }
 
 int main() {
     std::unique_ptr<int> up(new int(10));
     std::thread t(foo, std::move(up));
     t.join();
     return 0;
 }
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std::thread 所有权转移

到这里，我们再看 std::thread 构造函数的申明：

thread() noexcept;
thread( thread&& other ) noexcept;
template< class Function, class... Args >
explicit thread( Function&& f, Args&&... args );
thread( const thread& ) = delete;
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• 默认构造函数。创建 std::thread 对象，但不与任何底层执行线程绑定。
• 移动构造函数。创建 std::thread 对象，并将 other 的执行线程所有权转移给新创建的 std::thread 对象。调用后，other 将不再对应之前的执行线程。因而 std::thread 是可移动的。
• 初始化构造函数。创建 std::thread 对象，绑定底层执行线程，并指定调用对象 f 和 参数 args。
• 拷贝构造函数是被禁用的。

再看 std::thread 赋值操作：

thread& operator=(thread&& rhs) noexcept;
thread& operator=(const thread&) = delete;
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• 移动赋值：可以将一个 std::thread 对象移动赋值给当前 std::thread 。移动赋值前，如果当前 std::thread 是 joinable 的话则调用 std::terminate() 结束程序。
• 拷贝赋值是被禁用的。

可见，std::thread 是可以移动的，而不可拷贝的。例如：

 #include 
 #include 
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void f1() {
     std::cout << __func__ << std::endl;
     std::this_thread::sleep_for(1s);
 }
 
 void f2() {
     std::cout << __func__ << std::endl;
     std::this_thread::sleep_for(1s);
 }
 
 int main() {
     std::thread t1(f1);
     std::thread t2(f2);
     std::thread t3;
     t3 = std::move(t1);
     t1 = std::move(t2);
     // t1 = std::move(t3); // std::terminate() will be called to terminate the program.
     std::swap(t1, t3);
     t1.join();
     t3.join();
     return 0;
 }
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由于 std::thread 是可移动的，这意味着可以将其所有权转移到函数外或函数内。例如：

 #include 
 #include 
 #include 
 
 using namespace std::chrono_literals;
 
 void foo() {
     std::cout << __func__ << std::endl;
     std::this_thread::sleep_for(1s);
 }
 
 void f(std::thread t) {
     t.join();
 }
 
 std::thread g() {
     std::thread t(foo);
     return t;
 }
 
 int main() {
     f(std::thread(foo));
     std::thread t = g();
     f(std::move(t));
     return 0;
 }
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至此，本文结束，更多多线程编程文章，尽情期待！

参考

• C++ Concurrency in Action Second Edition
• https://thispointer.com//c11-multithreading-part-3-carefully-pass-arguments-to-threads