详细讲解c++中线程类thread的实现，stl源码讲解之thread

Thread

本节我们来详细介绍一下c++中的线程类thread，在讲解的过程中会用到大量模板的知识，可以去看c++详解模板泛型编程，详解类模板的实现为什么不能放在cpp文件_泛型函数 cpo-CSDN博客
源码:

template <class _Fn, class... _Args, enable_if_t<!is_same_v<_Remove_cvref_t<_Fn>, thread>, int> = 0>
_NODISCARD_CTOR_THREAD explicit thread(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax) {
    _Start(_STD forward<_Fn>(_Fx), _STD forward<_Args>(_Ax)...);
}

template <class _Tuple, size_t... _Indices>
static unsigned int __stdcall _Invoke(void* _RawVals) noexcept{
    const unique_ptr<_Tuple> _FnVals(static_cast<_Tuple*>(_RawVals));
    _Tuple& _Tup = *_FnVals.get();
    _STD invoke(_STD move(_STD get<_Indices>(_Tup))...);
    _Cnd_do_broadcast_at_thread_exit();
    return 0;
}

template <class _Tuple, size_t... _Indices>
_NODISCARD static constexpr auto _Get_invoke(index_sequence<_Indices...>) noexcept {
    return &_Invoke<_Tuple, _Indices...>;
}
template <class _Fn, class... _Args>
void _Start(_Fn&& _Fx, _Args&&... _Ax) {
    using _Tuple                 = tuple<decay_t<_Fn>, decay_t<_Args>...>;
    auto _Decay_copied           = _STD make_unique<_Tuple>(_STD forward<_Fn>(_Fx), _STD forward<_Args>(_Ax)...);
    constexpr auto _Invoker_proc = _Get_invoke<_Tuple>(make_index_sequence<1 + sizeof...(_Args)>{});

    _Thr._Hnd = reinterpret_cast<void*>(_CSTD _beginthreadex(nullptr, 0, _Invoker_proc, _Decay_copied.get(), 0, &_Thr._Id));

    if (_Thr._Hnd) {
        (void) _Decay_copied.release();
    } else {
        _Thr._Id = 0;
        _Throw_Cpp_error(_RESOURCE_UNAVAILABLE_TRY_AGAIN);
    }
}

enable_if_t<!is_same_v<_Remove_cvref_t<_Fn>, thread>, int> = 0是一个 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）技巧，用于禁止使用thread对象作为可调用对象来构造新的thread对象。

我们从thread的构造函数开始，一步一步讲解线程的启动，构造函数会直接将接受的参数完美转发给_Start函数，这个函数会将传入的函数与参数进行包装，最后调用系统提供的线程函数来启动线程，此函数会将所有内容放入一个元组（_Tuple）中，具体类型是tuple<decay_t<_Fn>, decay_t<_Args>…>，这里的decay_t会对参数进行退化处理，它会移除引用、const、volatile 限定符，并且把数组类型转换为指针类型，函数类型转换为函数指针类型。之后使用make_unique构造了一个_Tuple对象，内部包含了退化后的可调用对象与所有参数。
这里需要注意_Get_invoke函数返回的是一个函数指针，它返回的不是_Invoke函数的返回值，而是_Invoke<_Tuple, _Indices...>这个函数的指针，返回的这个函数指针用于后续_beginthreadex函数的调用，调用_Get_invoke使用make_index_sequence在编译器生成了一个整数序列，这个生成的整数序列会被传递给 index_sequence<_Indices...>，并通过模板参数展开将索引保存在 _Indices 中，这里用于展开元组。
本教程使用的是Windows11所以标准库使用了Windows的线程api，_beginthreadex函数接受了我们的可调用对象与参数，参数传入的是元组这回在后续的_Invoke函数中展开，_beginthreadex 函数返回的是一个 uintptr_t 类型的值，它实际上是一个无符号整数类型，用于表示线程句柄。而 _Thr._Hnd 是一个 void* 类型的变量，用于存储线程句柄。因此，这就需要使用 reinterpret_cast<void*> 将 _beginthreadex 返回的 uintptr_t 类型的值转换为 void* 类型，以便赋值给 _Thr._Hnd。传递&_Thr._Id的目的是获得线程id
reinterpret_cast 是 C++ 中的一种强制类型转换运算符，它主要用于将一种指针类型转换为另一种指针类型，甚至可以在不同类型的指针和整数类型之间进行转换。reinterpret_cast 提供了最底层、最直接的类型转换，它不进行任何类型检查或数据转换，只是简单地将二进制位从一种类型解释为另一种类型。
后续会检测线程创建成功，我们让_Decay_copied放弃其管理的资源，以免_Start运行完成后释放元组，如果不成功会将线程id置为0并抛出错误异常

最后我们来介绍一下调用函数_Invoke，它接受一个void*的参数(这就是我们的元组)，这个参数是_beginthreadex传递给它的，首先通过static_cast将void*转换会元组类型，之后通过_STD get<_Indices>(_Tup) 借助索引 _Indices 从元组 _Tup 中获取元素。_Indices 是一个编译时生成的整数序列，通过参数包展开，能够依次获取元组中的所有元素，然后把这些元素传递给 std::invoke 调用的可调用对象。
_Cnd_do_broadcast_at_thread_exit 是一个内部函数，它的作用是在当前线程退出时广播一个条件变量。这通常用于线程同步，确保在某个线程退出时通知其他等待的线程。

invoke与get函数

std::invoke 是 C++17 引入标准库的一个通用调用工具，其用途是统一地调用可调用对象，像函数、函数指针、成员函数指针、成员对象指针、函数对象（重载了 operator() 的类实例）等，并且会把相应的参数传递给这些可调用对象。
std::invoke 会依据可调用对象的类型和参数的情况，采用合适的方式来调用可调用对象。例如，对于普通函数，它会直接调用；对于成员函数指针，它会正确处理对象实例的绑定。

std::get 是用于访问元组（std::tuple）、std::pair 或者 std::array 元素的函数模板，它能依据索引或者类型来获取容器中的元素。

_beginthreadex

函数原型如下：

uintptr_t _beginthreadex(
    void* security,
    unsigned stack_size,
    unsigned (__stdcall* start_address)(void*),
    void* arglist,
    unsigned initflag,
    unsigned* thrdaddr
);

1. security：
   • 类型：void*
   • 含义：指向一个 SECURITY_ATTRIBUTES 结构体的指针，该结构体用于指定新线程的安全属性。如果传入 NULL，表示使用默认的安全属性。通常情况下，我们传入 NULL 即可。
2. stack_size：
   • 类型：unsigned
   • 含义：指定新线程的堆栈大小，以字节为单位。如果传入 0，则表示使用默认的堆栈大小。
3. start_address：
   • 类型：unsigned (__stdcall*)(void*)
   • 含义：指向新线程启动函数的指针。这个函数是新线程开始执行的入口点，它必须遵循 __stdcall 调用约定，返回类型为 unsigned，并且接受一个 void* 类型的参数。__stdcall 是一种调用约定，规定了参数传递的顺序（从右到左）和栈的清理方式（由被调用函数清理）。
4. arglist：
   • 类型：void*
   • 含义：传递给新线程启动函数的参数。这个参数会被作为 void* 类型传递给 start_address 所指向的函数。如果不需要传递参数，可以传入 NULL。
5. initflag：
   • 类型：unsigned
   • 含义：指定新线程的初始状态。可以传入以下值：
     • 0：线程创建后立即开始执行。
     • CREATE_SUSPENDED：线程创建后处于挂起状态，需要调用 ResumeThread 函数来启动线程。
6. thrdaddr：
   • 类型：unsigned*
   • 含义：指向一个 unsigned 类型的变量，用于接收新线程的线程 ID。如果不需要获取线程 ID，可以传入 NULL。
     如果线程创建成功，_beginthreadex 函数返回一个新线程的句柄，类型为 uintptr_t。这个句柄可以用于后续对线程的操作，如等待线程结束、终止线程等。如果线程创建失败，函数返回 0。

_Thrd_t结构体

接下来我们再看看thread中的一个结构体_Thr，他是定义在下面：

extern "C" {
using _Thrd_id_t = unsigned int;
struct _Thrd_t { // thread identifier for Win32
    void* _Hnd; // Win32 HANDLE
    _Thrd_id_t _Id;
};
}

_Thrd_t 结构体用于封装 Windows 线程的相关信息，包括线程句柄（_Hnd）和线程 ID（_Id）。通过这个结构体，可以方便地管理和操作线程，例如在创建线程时保存线程句柄和线程 ID，在后续的操作中使用这些信息来控制线程的行为。
这里将 _Thrd_t 结构体定义为 C 语言风格（使用 extern "C" 块）主要是为了实现与 C 语言代码的兼容性。_beginthreadex 是 Windows C 运行时库提供的函数，它遵循 C 语言的调用约定和命名规则。使用 extern "C" 可以确保 _Thrd_t 结构体在编译时生成的符号名遵循 C 语言的规则，从而可以与 C 语言代码无缝交互。

decay_t的主要作用

当创建线程时，参数需要被 安全地复制或移动 到线程的独立存储空间中，避免因原始参数生命周期结束（如局部变量被销毁）导致的悬空引用或指针问题。std::decay_t 的作用包括：移除引用：将 T& 或 T&& 退化为 T，强制生成值的副本（而非保留引用）。 处理数组和函数指针：将数组类型 T[N] 退化为 T*，函数类型 F(Args...) 退化为 F(*)(Args...)，使其可复制。
这使得 std::thread 构造函数能统一处理函数指针、函数对象或 lambda，确保线程内部操作的是独立的值，确保不会出现悬挂引用的问题。