Effective Modern C++ 条款38 意识到线程句柄的析构函数的不同行为

意识到线程句柄的析构函数的不同行为

条款37解释过一个可连接的（joinable）线程对应着一个底层的系统执行线程，一个非推迟任务（看条款36）的future和系统线程也有类似的关系。这样的话，可以认为std::thread对象和future对象都可以操纵系统系统。

从这个角度看，std::thread对象和future对象的析构函数表现出不同的行为是很有趣的。就如条款37提到，销毁一个可连接的std::thread对象会终止你的程序，因为另外两个选择——隐式join和隐式detach——被认为是更糟的选择。而销毁一个future，有时候会表现为隐式join，有时候会表现为隐式detach，有时候表现的行为既不是join也不是detach。它决不会导致程序终止，这种线程管理行为的方法值得我们仔细检查。

我们从观察一个future开始吧，它是一个交流管道的一端，在这个交流管道中被叫方要把结果传给主叫方。被叫方（通常异步运行）把计算的结果写进交流管道（通常借助一个std::promise对象），而主叫方使用一个future来读取结果。你可以用下图来思考，虚线箭头展示了信息被叫这流向主叫：

但被叫方的结果存储在哪里呢？在主叫方future执行get之前，被叫方可能已经执行完了，因此结果不能存储在被叫的std::promise里。那个对象，会是被叫方的局部变量，在被叫执行结束后会被销毁。

然而，结果也不能存储在主叫方的future中，因为（还有其他原因）一个std::future对象可能被用来创建一个std::shared_future（因此把被叫方结果的所有权从std::future转移到std::shared_future），而在最原始的std::future销毁之后，这个std::shared_future可能会被拷贝很多次。倘若被叫方的结果类型是不可被拷贝的（即只可移动类型），而那结果是只要有一个future引用它，它就会存在，那么，多个future中哪一个含有被叫方的结果呢？

因为被叫方对象和主叫方对象都不适合存储结构，所以这个结果存在两者之外的地方。这个地方叫做shared state，shared state通常表现为一个基于堆实现的对象，但标准没有指定它的类型、接口和实现，所以标准库的作者可以用他们喜欢的方法来实现shared state。

如下，我们可以把主叫、被叫、shared state之间的关系视图化，虚线箭头再次表现信息的流向：

shared state的存在很重要，因为future的析构函数的行为——该条款的话题——是由与它关联的shared state决定的。特别是：

• 最后一个引用shared state（它借助std::aysnc创建了一个非推迟任务时产生）的future的析构函数会阻塞直到任务完成。本质上，这种future的析构函数对底层异步执行任务的线程进行隐式的join。
• 其他的future对象的析构函数只是简单地销毁future对象。对于底层异步运行的任务，与对线程进行detach操作相似。对于最后一个future是推迟的任务的情况，这意味着推迟的任务将不会运行。

这些规则听起来很复杂，但我们真正需要处理的是一个简单“正常的”行为和一个单独的例外而已。这正常的行为是：future的析构函数会销毁future对象。那意思是，它不会join任何东西，也不会detach任何东西，它也没有运行任何东西，它只是销毁 future的成员变量。（好吧。实际上，它还多做了些东西。它减少了shared state里的引用计数，这个shared state由future和被叫的std::promise共同操控。引用计数可以让库知道什么时候销毁**shared state，关于引用计数的通用知识，请看条款19.）

对于正常行为的那个例外，只有在future满足下面全部条件才会出现：

• future引用的shared state是在调用了std::async时被创建。
• 任务的发射策略是std::launch::async（看条款36），要么是运行时系统选择的，要么是调用std::async时指定的。
• 这个future是最后一个引用shared state的future。对于std::future，它总是最后一个，而对于std::shared_future，当它们被销毁的时候，如果它们不是最后一个引用shared state的future，那么它们会表现出正常的行为（即，销毁成员变量）。

只有当这些条件都被满足时，future的析构函数才会表现出特殊的行为，而这行为是：阻塞直到异步运行的任务结束。特别说明一下，这相当于对运行着std::async创建的任务的线程执行隐式join。

这个例外对于正常的future析构函数行为来说，可以总结为“来自std::async的future在它们的析构函数里阻塞了。”对于初步近似，它是正确的，但有时候你需要的比初步近似要多，现在你已经知道了它所有的真相了。

你可能又有另一种疑问，可能是“我好奇为什么会有这么奇怪的规则？”。这是个合理的问题，关于这个我只能告诉你，标准委员会想要避免隐式detach引发的问题（看条款37），但是他们又不想用原来的策略让程序终止（针对可连接的线程，看条款37），所以他们对隐式join妥协了。这个决定不是没有争议的，他们也有讨论过要在C++14中禁止这种行为。但最后，没有改变，所以future析构函数的行为在C++11和C++14相同。

future的API没有提供方法判断future引用的shared state是否产生于std::async调用，所以给定任意的future对象，不可能知道它的析构函数是否会阻塞到异步执行任务的结束。这有一些有趣的含义：

// 这个容器的析构函数可能会阻塞
// 因为包含的future有可能引用了借助std::async发射的推迟任务的而产生的shared state
std::vector<std::future<void>> futs;           // 关于std::future<void>，请看条款39

class Widget {                // Widget对象的析构函数可能会阻塞
public:
    ...
private:
    std::shared_future<double> fut;
};

当然，如果你有办法知道给定的future不满足触发特殊析构行为的条件（例如，通过程序逻辑），你就可以断定future不会阻塞在它的析构函数。例如，只有在std::async调用时出现的shared state才具有特殊行为的资格，但是有其他方法可以创建shared state。一个是std::packaged_task的使用，一个std::packaged_task对象包装一个可调用的对象，并且允许异步执行并获取该可调用对象产生的结果，这个结果就被放在shared state里。引用shared state的future可以借助std::packaged_task的get_future函数获取：

int calcValue();         // 需要运行的函数

std::packaged_task<int()> pt(calcValue);   // 包装calcValue，因此它可以异步允许

auto fut = pt.get_future();     // 得到pt的future

在这时，我们知道future对象fut没有引用由std::async调用的产生的shared state，所以它的析构函数将会表现出正常的行为。

一旦std::packaged_task对象pt被创建，它就会被运行在线程中。（它也可以借助std::async调用，但是如果你想要用std::async运行一个任务，没有理由创建一个std::packaged_task对象，因为std::async能做std::packaged_task能做的任何事情。）

std::packaged_task不能被拷贝，所以当把pt传递给一个std::thread构造函数时，它一定要被转换成一个右值（借助std::move——看条款23）：

std::thread t(std::move(pt));             // 在t上运行pt

这个例子让我们看到了一些future正常析构行为，但如果把这些语句放在同一个块中，就更容易看出来：

{           // 块开始
    std::packaged_task<int()> pt(calcValue);

    auto fut = pt.get_future();

    std::thread t(std::move(pt));

   ...    // 看下面
}         // 块结束

这里最有趣的代码是“…”，它在块结束之前，t创建之后。这里有趣的地方是在“…”中，t会发生什么。有3个基本的可能：

• t什么都没做。在这种情况下，t在作用域结束时是可连接的（joinable），这将会导致程序终止（看条款37）。
• t进行了join操作。在这种情况下，fut就不需要在析构时阻塞了，因为代码已经join了。
• t进行了detach操作。在这种情况下，fut就不需要在析构时detach了，因为代码已经做了这件事了。

换句话说，当你shared state对应的future是由std::packaged_task产生的，通常不需要采用特殊析构策略，因为操纵运行std::packaged_task的std::thread的代码会在终止、join、detach之间做出决定。
*需要记住的2点：

• future的析构函数通常只是销毁future的成员变量。
• 最后一个引用shared state（它是在借助std::aysnc创建了一个非推迟任务时产生）的future会阻塞到任务完成。