執行緒的啟動與等待 (Launching and Joining Threads)

Overview Table

啟動執行緒

每個程式至少有一條執行 main() 的執行緒;其餘執行緒在建構 std::thread 物件時啟動,與主執行緒同時執行。可傳入的 callable 有三類:

• 一般函式:std::thread my_thread(do_some_work);
• 函式物件(有 operator() 的類別實例):物件會被複製到新執行緒的儲存空間中,執行與呼叫都在該執行緒的記憶體空間進行
• lambda 表達式:可捕獲區域變數,常可省去傳參

class background_task {
public:
    void operator()() const { do_something(); do_something_else(); }
};
background_task f;
std::thread my_thread(f);              // 函式物件(會被複製)

std::thread my_thread2([]{             // lambda
    do_something(); do_something_else();
});

Most Vexing Parse 陷阱

若把臨時函式物件直接傳給 std::thread 建構函式,C++ 編譯器會將其解析為函式宣告,而非物件定義:

std::thread my_thread(background_task());   // ✗ 宣告了一個「函式」!
std::thread my_thread((background_task())); // ✓ 多一組括號
std::thread my_thread{background_task()};   // ✓ 統一初始化語法 {}

• std::thread my_thread(background_task()); 相當於宣告名為 my_thread、回傳 std::thread 的函式,其參數是函式指標
• 迴避方式:命名變數、雙括號、大括號 {}、lambda

join vs detach:解構前必須做出決定

執行緒啟動後,必須在 std::thread 物件銷毀前決定「等待thread 的解構函式會呼叫 std::terminate( 終止整個程式。

• join() 只能呼叫一次;join 過後 joinable() 回傳 false
• detach() 同樣要求 joinable() 為 true 才能呼叫
• 想「只等一段時間」或「檢查是否結束」需改用條件變數 (condition variable) 或 future(見第 4 章)

detach 的懸空參考危機(代碼 2.1)

若執行緒函式持有區域變數的指標或參考,而函式先於執行緒結束,就會產生未定義行為:

主執行緒                              新執行緒
────────                              ────────
建構 my_func(持有 some_local_state 的參考)
啟動 my_thread ──────────────────────▶ 開始執行 func::operator()
my_thread.detach()                     do_something(i) 使用該參考
銷毀 some_local_state                  持續執行
退出 oops()                            再存取 some_local_state ✗ 未定義行為

• 常規解法:把資料複製到執行緒中,而非共享指標/參考
• 用「存取區域變數的函式」建立執行緒是糟糕的主意;或改以 join() 確保執行緒先結束

特殊情況下的等待:異常安全與 thread_guard

join() 的呼叫位置需要細心挑選:若 join 之前拋出例外,join 會被跳過,導致 std::thread 帶著關聯執行緒被解構而 terminate。

做法一:try/catch 中補 join(代碼 2.2)

std::thread t(my_func);
try { do_something_in_current_thread(); }
catch (...) {
    t.join();   // 異常路徑也要 join
    throw;
}
t.join();       // 正常路徑

做法二:RAII——thread_guard(代碼 2.3,推薦)

class thread_guard {
    std::thread& t;                    // 只持有參考,不擁有
public:
    explicit thread_guardthread& t_) : t(t_ {}
    ~thread_guard() { if (t.joinable()) t.join(); }   // 解構時保證匯入
    thread_guard(thread_guard const&) = delete;       // 禁止拷貝
    thread_guard& operator=(thread_guard const&) = delete;
};

• 區域物件逆序銷毀:thread_guard 比 std::thread 先解構,於解構函式中完成 join,即使拋出例外也會發生
• 解構函式中先判斷 joinable() 再 join(join 只能一次)
• 拷貝建構/拷貝賦值標記 = delete,防止物件生命週期超過所匯入執行緒的作用域

後台執行緒(守護執行緒)

detach() 讓執行緒在後台執行,與主執行緒不能直接互動,也不可能再有 std::thread 物件引用它:

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

• 分離執行緒又稱守護執行緒 (daemon threads):仿 UNIX 中無顯式介面、長時間在後台執行的執行緒(監視檔案系統、清理快取、最佳化資料結構等)
• 適合發後即忘 (fire and forget) 的任務
• C++ 執行期函式庫保證執行緒退出時正確回收相關資源
• 典型範例(代碼 2.4):文書處理器每開一份新文件就 std::thread t(edit_document, new_name); t.detach();——各視窗處理獨立文件,無須互相等待

Exam/Test Patterns

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