C++ 11是如何封装Thread库的？第1页

windoze 网友的相关建议:

绝大多数OS的thread入口函数大致是这样的：

       void_or_error_code entry_point(void *arbitrary_data);

而std::thread的构造函数长这样：

       template< class Function, class... Args >  explicit thread( Function&& f, Args&&... args );

为了填平两者之间的差异，我们要做的就是把f和args统统打包在一起做成一个void *，然后用一个预定义的plain C function作为entry point，接收这个void *，解开其中的f和args，然后调用。

和某些回答的说法不同，OS thread API不能直接触碰function template，因为它们大都长这样（略去不相关的参数）：

       error_code create_thread((void_or_error_code(*entry)(void *), void *data);

不用折腾了，你想破头也没办法让这个API直接调用一个function template或者一个lambda，你只能给它提供一个plain function pointer。用std::function<void_or_error()>绕圈子是个办法，但到最后你还是需要把f和args打包在一起，然后再用一个包装函数拆包调用f(args...)，然后再把这个函数包装在std::function里，我觉得反倒更麻烦了。

下面一步一步细说:

1、打包f和args成一个void *

当然我们不能真得把f和args直接变成一个void *，至少尺寸肯定不合适，所以我们需要一个数据结构来保存f和arg。另外，我们说过thread entry point必需是一个plain function，所以template戏法对于entry point来说是不能用的，为了让我们的entry point可以使用这些数据，我们需要一个concrete type而不是template。

不得不承认virtual function有时候还是有用的。让我们定义一个基类：

       struct thread_data_base {     virtual ~thread_data_base(){}     virtual void run()=0; };

这个基类给我们提供了一个统一的入口，可以调用实际用户提供的f和args。

2、接下来我们定义一个template，以适配不同类型的f和args：

       template<typename F, class... ArgTypes> class thread_data : public thread_data_base { public:     thread_data(F&& f_, ArgTypes&&... args_)     : fp(std::forward<F>(f_), std::forward<ArgTypes>(args_)...)     {}      template <std::size_t... Indices>     void run2(tuple_indices<Indices...>)     { invoke(std::move(std::get<0>(fp)), std::move(std::get<Indices>(fp))...); }      void run() {         typedef typename make_tuple_indices<std::tuple_size<std::tuple<F, ArgTypes...> >::value, 1>::type index_type;         run2(index_type());     }      private:     /// Non-copyable     thread_data(const thread_data&)=delete;     void operator=(const thread_data&)=delete;     std::tuple<typename std::decay<F>::type, typename std::decay<ArgTypes>::type...> fp; };

在这个template里有一个data member，它是一个tuple，用于保存f和args，这样我们就可以通过将void *data cast成thread_data_base *，然后调用其中的虚函数run来实际调用f(args...)，里面的invoke和tuple_indices等下再说。

3、然后我们就可以用一个简单的函数把任意的f和args包装成一个thread_data_base *：

       template<typename F, class... ArgTypes> inline thread_data_base *make_thread_data(F&& f, ArgTypes&&... args) {     return new thread_data<typename std::remove_reference<F>::type, ArgTypes...>(std::forward<F>(f),                                                                                 std::forward<ArgTypes>(args)...); }

4、thread entry point变得很简单，这样就行了：

       void_or_error_code thread_entry(void *data) {     std::unique_ptr<thread_data_base> p((thread_data_base *)data);     p->run();     // return result of p->run() if error code is required }

异常处理等细节略去。

注意：下节含有大量C++黑魔法，可能会引起阅读者不适，请谨慎前行

5、下面看看invoke，或者说如何通过一个f和args组成的tuple调用f(args...)

简单说，对于一个tuple<F, T1, T2, T3> tp(f, a1, a2, a3)，如果你想调用f(a1, a2, a3)，你需要：

       tp.get<0>()(tp.get<1>(), tp.get<2>(), tp.get<3>());

forward和decay神马的略去不提。

注意这里的1、2、3必须是编译期常数，否则你是没法拿来当template参数的，也就是说，为了调用f(args...)，我们必需生成一个编译期的数列，这各编译期的数列就是前面提到的tuple_indices。

有了这个数列，假如它叫Indices，我们就可以这样调用：

       tp.get<0>()(tp.get<Indices>()...);

make_tuple_indices就是用来生成Indices的。

为了生成数列[Sp, Ep)，我们要做的就是从Sp开始，递归的在已有数列后面加一项，直到满足条件(Sp==Ep)。

让我们先定义tuple_indices：

       template <std::size_t...> struct tuple_indices {};

这个类不需要任何成员，所有需要的信息，也就是整个数列，都是template参数，是类型的一部分。

为了让代码清楚一点，我们再绕个圈子：

       template <std::size_t Sp, class IntTuple, std::size_t Ep> struct make_indices_imp;

之所以要绕这个圈子，是因为我们的make_tuple_indices应该长这样：

       template <std::size_t Ep, std::size_t Sp> struct make_tuple_indices {...};

但在生成这个数列的过程中，为了方便，我们想把数列当前项直接放在参数列表里，要不然还需要在内部找到数列的最后一项，太烦。

这个make_tuple_indices_imp完工后是这个样子的：

       template <std::size_t Sp, class IntTuple, std::size_t Ep> struct make_indices_imp;  template <std::size_t Sp, std::size_t... Indices, std::size_t Ep> struct make_indices_imp<Sp, tuple_indices<Indices...>, Ep> { typedef typename make_indices_imp<Sp+1, tuple_indices<Indices..., Sp>, Ep>::type type; };  template <std::size_t Ep, std::size_t... Indices> struct make_indices_imp<Ep, tuple_indices<Indices...>, Ep> { typedef tuple_indices<Indices...> type; };

可以看到有三个版本，第一个是泛化形式，第二个是递归中间结果，第三个是递归终止条件(Sp==Ep)

然后我们就可以把make_tuple_indices写出来了：

       template <std::size_t Ep, std::size_t Sp=0> struct make_tuple_indices {     typedef typename make_indices_imp<Sp, tuple_indices<>, Ep>::type type; };

注意为了方便起见，Ep在前面，Sp在后面，因为缺省参数必须在最后（没办法C++就是这么规定的）

invoke可以很简单，就是把所有东西都forward过去调f：

       template <class Fp, class... Args> inline auto invoke(Fp&& f, Args&&... args) -> decltype(std::forward<Fp>(f)(std::forward<Args>(args)...)) { return std::forward<Fp>(f)(std::forward<Args>(args)...); }

当然，为了应付不同的callable，比如成员函数指针，或者有operator()的类，或者lambda什么的，我们可能还需要几个特化，不过这些都不重要，这里就不说了。

6、有了上面这些东西，之前的thread_data::run/run2就能运转了，它能通过make_tuple_indices和invoke解包tuple并调用f(args...)。

我们已经有了run，之所以需要再定义一个run2，是因为一条可能很多人猛一下想不起来的C++语法规定——member function template不能是虚函数。

Indices是一个template type，只能用一个template function接收，所以我们需要把run和run2拆开，run作为继承下来的虚函数做入口，run2接收Indices并用之前提到的方法调用f(args...)。

结论：C++写这种东西神烦，要是有其它选择我立马叛逃（Rust目前还不够诱惑，等等再说）

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