2.3. Передача владения потоком

Предположим, что требуется написать функцию для создания потока, который должен работать в фоновом режиме, но при этом мы не хотим ждать его завершения, а хотим, чтобы владение новым потоком было передано вызывающей функции. Или требуется сделать обратное — создать поток и передать владение им некоторой функции, которая будет ждать его завершения. В обоих случаях требуется передать владение из одного места в другое.

Именно здесь и оказывается полезной поддержка классом std::thread семантики перемещения. В предыдущем разделе отмечалось, что в стандартной библиотеке С++ есть много типов, владеющих ресурсами, например std::ifstream и std::unique_ptr, которые являются перемещаемыми, но не копируемыми, и один из них — std::thread. Это означает, что владение потоком можно передавать от одного экземпляра std::thread другому, как показано в примере ниже. В нем создается два потока выполнения, владение которыми передается между тремя объектами std::thread: t1, t2 и t3.

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) Это присваивание приводит

;                       к аварийному завершению программы

Сначала создастся новый поток (1) и связывается с объектом t1. Затем владение явно передается объекту t2 в момент его конструирования путем вызова std::move() (2). В этот момент с t1 уже не связан никакой поток выполнения: поток, в котором исполняется функция some_function, теперь связан с t2.

Далее создается еще один поток, который связывается с временным объектом типа std::thread (3). Для последующей передачи владения объекту t1 уже не требуется явный вызов std::move(), так как владельцем является временный объект, а передача владения от временных объектов производится автоматически и неявно.

Объект t3 конструируется по умолчанию (4), а это означает, что в момент создания с ним не связывается никакой поток. Владение потоком, который в данный момент связан с t2, передастся объекту t3 (5), опять-таки путем явного обращения к std::move(), поскольку t2 — именованный объект. После всех этих перемещений t1 оказывается связан с потоком, исполняющим функцию some_other_function, t2 не связан ни с каким потоком, a t3 связан с потоком, исполняющим функцию some_function .

Последнее перемещение (6) передает владение потоком, исполняющим some_function, обратно объекту t1, в котором исполнение этой функции началось. Однако теперь с t1 уже связан поток (который исполнял функцию some_other_function), поэтому вызывается std::terminate(), и программа завершается. Так делается ради совместимости с поведением деструктора std::thread. В разделе 2.1.1 мы видели, что нужно либо явно ждать завершения потока, либо отсоединить его до момента уничтожения; то же самое относится и к присваиванию: нельзя просто «прихлопнуть» поток, присвоив новое значение объекту std::thread, который им управляет.

Поддержка операции перемещения в классе std::thread означает, что владение можно легко передать при возврате из функции, как показано в листинге 2.5.

Листинг 2.5. Возврат объекта std::thread из функции

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;

}

Аналогично, если требуется передать владение внутрь функции, то достаточно, чтобы она принимала экземпляр std::thread по значению в качестве одного из параметров, например:

void f(std::thread t);

void g() {

 void some_function();

 f(std::thread(some_function));

 std::thread t(some_function);

 f(std::move(t));

}

Одно из преимуществ, которые даёт поддержка перемещения в классе std::thread, заключается в том, что мы можем модифицировать класс thread_guard из листинга 2.3, так чтобы он принимал владение потоком. Это позволит избежать неприятностей в случае, когда время жизни объекта thread_guard оказывает больше, чем время жизни потока, на который он ссылается, а, кроме того, это означает, что никто другой не сможет присоединиться к потоку или отсоединить его, так как владение было передано объекту thread_guard. Поскольку основное назначение этого класса гарантировать завершение потока до выхода из области видимости, я назвал его scoped_thread. Реализация и простой пример использования приведены в листинге 2.6.

Листинг 2.6. Класс scoped_thread и пример его использования

class scoped_thread {

 std::thread t;

public:

 explicit scoped_thread(std::thread t_) : ← (1)

 t(std::move(t_)) {

 if (!t.joinable()) ← (2)

  throw std::logic_error("No thread");

 }

 ~scoped_thread() {

  t.join();         ← (3)

 }

 scoped_thread(scoped_thread const&)=delete;

 scoped_thread& operator=(scoped_thread const&)=delete;

};

struct func; ← см. листинг 2.1

void f() {

 int some_local_state;

 scoped_thread t(std::thread(func(some_local_state))); ← (4)

 do_something_in_current_thread();

}                   ← (5)

Этот пример очень похож на приведенный в листинге 2.3, только новый поток теперь передается непосредственно конструктору scoped_thread (4), вместо того чтобы создавать для него отдельную именованную переменную. Когда новый поток достигает конца f (5), объект scoped_thread уничтожается, а затем поток соединяется (3) с потоком, переданным конструктору (1). Если в классе thread_guard из листинга 2.3 деструктор должен был проверить, верно ли, что поток все еще допускает соединение, то теперь мы можем сделать это в конструкторе (2) и возбудить исключение, если это не так.

Поддержка перемещения в классе std::thread позволяет также хранить объекты этого класса в контейнере при условии, что класс контейнера поддерживает перемещение (как, например, модифицированный класс std::vector<>). Это означает, что можно написать код, показанный в листинге 2.7, который запускает несколько потоков, а потом ждет их завершения.

Листинг 2.7. Запуск нескольких потоков и ожидание их завершения

void do_work(unsigned id);

void f() {

 std::vector<std::thread> threads;

 for (unsigned i = 0; i < 20; ++i) {           │ Запуск

  threads.push_back(std::thread(do_work(i))); ←┘ потоков

 }                                            │ Поочередный

 std::for_each(threads.begin(), threads.end(),│ вызов join()

 std::mem_fn(&std::thread::join));           ←┘ для каждого потока

}

Если потоки применяются для разбиения алгоритма на части, то зачастую такой подход именно то, что требуется: перед возвратом управления вызывающей программе все потоки должны завершиться. Разумеется, столь простая структура, как в листинге 2.7, предполагает, что каждый поток выполняет независимую работу, а единственным результатом является побочный эффект, заключающийся в изменении разделяемых данных. Если бы функция f() должна была вернуть вызывающей программе значение, зависящее от результатов операций, выполненных в потоках, то при такой организации получить это значение можно было бы только путем анализа разделяемых данных по завершении всех потоков. В главе 4 обсуждаются альтернативные схемы передачи результатов работы из одного потока в другой.

Хранение объектов std::thread в векторе std::vector — шаг к автоматизации управления потоками: вместо тот чтобы создавать отдельные переменные для потоков и выполнять соединение напрямую, мы можем рассматривать группу потоков. Можно пойти еще дальше и создавать не фиксированное число потоков, как в листинге 2.7, а определять нужное количество динамически, во время выполнения.