進階執行緒管理練習題 (Practice - Advanced Thread Management)

迴圈在 !done 期間反覆:work_queue.try_pop(task) 成功就執行 task(),失敗就 std::this_thread::yield()。
yield 讓出 CPU 時間片,給其他執行緒(包括要 submit() 推任務的執行緒)執行機會,避免空轉迴圈霸佔處理器。
解構時只需設 done=true,join_threads (RAII) 保證所有 worker 匯入後池才銷毀。

等待任務要靠 std::packaged_task<> 產生 future,但 packaged_task 只可移動、不可複製;而 std::function<> 要求存放可複製建構的可呼叫物件,兩者衝突。
解法是自製 function_wrapper:以 impl_base 虛擬函式 + impl_type<F> 做型別擦除 (type erasure),只提供移動建構/移動指派,複製一律 =delete。

(1) 用 std::result_of<FunctionTypetype 推導回傳型別;(2) 把 f 包進 std::packaged_task<result_type()>;(3) 先呼叫 task.get_future() 取得 future;(4) 以 std::move(task) 推入佇列(不可複製);(5 回傳 future。
任務中拋出的異常會存入 future,呼叫端 get() 時重新拋出。

普通 std::queue 即可:本地佇列只有擁有它的執行緒會存取,無競爭故不需鎖 —— 這正是消除全域佇列爭用與快取乒乓的關鍵。
用 unique_ptr 是因為非池內執行緒不該擁有本地佇列:指標為空即代表外部執行緒,submit() 據此把任務改推入全域佇列;worker 在主迴圈前 reset() 初始化,執行緒退出時自動銷毀。

擁有者操作前端(push_front/pop_front,LIFO);竊取者 try_steal() 操作後端(pop_back,FIFO)。
擁有者 LIFO 有快取親和性:最新任務的資料還熱在快取,對快速排序等遞迴演算法也能減少活動任務數;竊取者取後端則減少與 try_pop() 的競爭(兩者操作不同端)。
書中以 mutex 保護 deque 即可,因為竊取預期是少見事件。

檢查當前執行緒的 thread_local interrupt_flag,若已設定就拋出 thread_interrupted 異常 —— 屬於協作式中斷,需在程式碼安全處顯式呼叫。
不足之處:執行緒阻塞(如卡在 cv.wait() 或等待 future)時根本不在執行,無法呼叫此函式檢查旗標,因此需要 interruptible_wait() 系列函式。

原因:池只有固定數量執行緒,當所有 worker 都在等待子任務的 future、而那些子任務還躺在佇列裡沒有執行緒能執行時,形成死結 (deadlock)。
修法:等待迴圈中呼叫 run_pending_task() —— while (new_lower.wait_for(0s) == std::future_status::timeout) pool.run_pending_task();,讓等待中的執行緒也幫忙消化佇列上的任務,等待與做事同時進行。

先對所有後台執行緒呼叫 interrupt(),再逐一 join()(代碼 9.13)。
被中斷的執行緒不會立即結束 —— 要走到下一個 interruption_point()、再執行解構與異常處理;先發完全部中斷,各執行緒可並行處理自己的中斷,整體退出更快。
另需在包裝 lambda 中 catch (thread_interrupted const&):未捕獲的中斷異常傳進 std::thread 解構會呼叫 std::terminate() 終止整個程式。

兩缺陷:(1) 異常安全 —— cv.wait() 可能拋出異常而未清除旗標與條件變數的關聯(修法:RAII clear_cv_on_destruct);(2) 競爭條件 —— 最後一次檢查與 wait() 進入等待之間若旗標被設定並 notify_all(),通知遺失,執行緒再也叫不醒。
wait_for(1ms):簡單、適用 std::condition_variable,但通知遺失最多晚 1ms 才發現,且虛假喚醒與述詞檢查次數大增。
custom_lock 版:全程持有 set_clear_mutex,而 set() 必須取得同一把鎖才能通知 → 通知不可能落在空窗,無需輪詢;代價是只能用於 std::condition_variable_any,且鎖的協定較複雜lock 同時鎖兩把避免死結。

取任務順序本地 → 全域 → 竊取反映成本由低到高;書中仍留有改進空間(如動態調整池大小)。