C++20中线程类std::jthread的使用 - 详解

      C++20中的std::jthread类表示一个执行线程。它与std::thread具有相同的常规行为，但std::jthread在析构(destruction)时会自动重新加入(rejoin)，并且可以在某些情况下被取消/停止(cancelled/stopped)。

      与std::thread不同，std::jthread在逻辑上持有一个std::stop_source类型的内部私有成员，该成员维护一个共享的停止状态(stop-state)。std::jthread构造函数接受一个以std::stop_token作为第一个参数的函数，该参数由std::jthread从其内部std::stop_source传入。这使得该构造函数能够检查在执行过程中是否已请求停止，如果已请求则返回。

      std::jthread对象也可能处于不代表任何线程的状态(after default construction, move from, detach, or join)，并且执行线程可能不与任何std::jthread 对象关联(after detach)。

任何两个std::jthread对象都不能代表同一个执行线程；std::jthread不可拷贝构造或拷贝赋值，但可移动构造和移动赋值。

      如果std::jthead无法启动，则抛std::system_error异常。

      std::jthread构造函数的参数按值移动或拷贝。如果需要将引用参数传递给线程函数，则必须对其进行包装(例如，使用std::ref或std::cref)。

std::jthread的析构函数：如果当前线程有一个关联线程即joinable()为true，则会先调用request_stop()，然后再调用join()：

      (1).如果std::jthread之前被请求stop，则调用request_stop()无效。

      (2).std::jthread对象在以下情况后没有关联线程：它是被默认构造的、它被移出(moved from)、已调用join()、已调用detach()。

      (3).如果join()抛出异常，则std::terminate()可能被调用。

      std::jthread中的函数：

      joinable()：如果std::jthread对象标识了一个活动的执行线程，则返回true，否则返回false。已完成代码执行但尚未joined的线程仍被视为活动的执行线程，因此是jonable的。

      get_id()：返回std::jthread::id的值(std::thread::id的类型别名)，用于标识与*this关联的线程。如果没有关联的线程，则返回默认构造的std::jthread::id。

      hardware_concurrency()：静态函数，返回支持的并发线程数。该值仅供参考。如果该值定义不明确或无法计算，则返回0。

      join()：阻塞当前线程，直到*this标识的线程完成执行。*this本身不执行同步。多个线程同时对同一个std::jthread对象调用join()会造成数据争用，从而导致未定义的行为。

      detach()：将执行线程与std::jthread对象分离，允许继续独立执行。线程退出后，所有分配的资源都将被释放。调用detach后，*this不再拥有任何线程。

      swap：交换两个std::jthread对象的底层句柄。

      测试代码如下：

int test_jthread_constructor()
{auto func1 = [](int val) {for (auto i = 0; i < 2; ++i) {std::cout << ++val << std::endl;std::this_thread::sleep_for(100ms);}};auto func2 = [](int& val) {val = 88;};std::jthread jth1(func1, 5);std::jthread jth2{};std::cout << std::format("jth1 joinable: {}; jth2 joinable: {}", jth1.joinable(), jth2.joinable()) << std::endl;std::cout << "jth1 id: " << jth1.get_id() << "; jth2  id: " << jth2.get_id() << std::endl;jth2 = std::move(jth1);std::cout << std::format("jth1 joinable: {}; jth2 joinable: {}", jth1.joinable(), jth2.joinable()) << std::endl;std::cout << "jth1 id: " << jth1.get_id() << "; jth2  id: " << jth2.get_id() << std::endl;int val{ -1 };std::jthread jth3(func2, std::ref(val));jth3.join();std::cout << std::format("jth3 joinable: {}, val: {}", jth3.joinable(), val) << std::endl;std::cout << "jth3 id: " << jth3.get_id() << std::endl;std::cout << "concurrent threads are supported: " << std::jthread::hardware_concurrency() << std::endl;std::jthread jth4([] {std::cout << "jth4 running ..." << std::endl;std::this_thread::sleep_for(1s);std::cout << "jth4 end" << std::endl;});std::cout << "jth4 joinable: " << jth4.joinable() << ", id: " << jth4.get_id() << std::endl;jth4.detach();std::this_thread::sleep_for(3s);std::cout << "jth4 joinable: " << jth4.joinable() << ", id: " << jth4.get_id() << std::endl;jth4.swap(jth2);std::cout << std::format("jth2 joinable: {}; jth4 joinable: {}", jth2.joinable(), jth4.joinable()) << std::endl;std::swap(jth2, jth4);std::cout << std::format("jth2 joinable: {}; jth4 joinable: {}", jth2.joinable(), jth4.joinable()) << std::endl;return 0;
}

      执行结果如下图所示：

      get_stop_source()：返回与std::jthread对象内部持有的相同共享停止状态相关联的std::stop_source。

      get_stop_token()：返回与std::jthread对象内部持有的相同共享停止状态相关联的std::stop_token。

      request_stop()：如果内部停止状态尚未收到停止请求，则向其发出停止请求。该判断以原子方式进行，如果已发出停止请求，则停止状态将以原子方式更新，以避免竞争条件(race conditions)。request_stop()只是向线程的std::stop_token发送"尽快退出"的信号，线程函数内要主动检查std::stop_token的stop_requested()，然后自行结束循环，不会结束线程，因此再调用joinable()还是true。

int test_jthread_request_stop()
{std::jthread jth([](std::stop_token token) {while (!token.stop_requested()) {std::cout << "running ...\n";std::this_thread::sleep_for(500ms);}std::cout << "stopped\n";});std::this_thread::sleep_for(3s);std::cout << "jth joinable: " << jth.joinable() << ", id: " << jth.get_id() << std::endl;jth.request_stop();std::this_thread::sleep_for(1s);std::cout << "jth joinable: " << jth.joinable() << ", id: " << jth.get_id() << std::endl;return 0;
}

      执行结果如下图所示：

      std::jthread和std::thread区别：

      (1).std::jthread析构时会自动join()，无需手动调用join()，而std::thread析构前必选手动join()或detach()。

      (2).std::jthread内置停止令牌(stop_token)，可通过std::stop_token请求线程停止。

      (3).std::jthread兼容std::thread大多数接口。

      (4).std::jthread比std::thread更安全。

GitHub：https://github.com/fengbingchun/Messy_Test