2019-04-25

std::thread 怎麼實作的？

本篇介紹一下一般各個作業系統的 C++ 編譯器是怎麼實作 std::thread 的，
在一番 trace code 的結果後，llvm 的 libc++ 實作是這樣的，
在 unix 平台下開 thread 就是轉換到 pthread 的 pthread_create。
在 windows 平台下開 thread 就是轉換到 win32 的 _beginthreadex。
gcc 的 libstdc++ 實作也是如此。

簡單介紹這兩種 c++ 庫差異：

libc++ (LLVM C++ standard library with C++ 11 support)
libstdc++ (GNU C++ standard library)

以下是 llvm 下 libc++ 怎麼實作的 code snippet，

1. std::thread::thread 的實作

建構子 thread 轉換成內部的 __libcpp_thread_create

libcxx/include/threadlink

template <class _Fp, class ..._Args,
          class
         >
thread::thread(_Fp&& __f, _Args&&... __args)
{
    typedef unique_ptr<__thread_struct> _TSPtr;
    _TSPtr __tsp(new __thread_struct);
    typedef tuple<_TSPtr, typename decay<_Fp>::type, typename decay<_Args>::type...> _Gp;
    _VSTD::unique_ptr<_Gp> __p(
            new _Gp(std::move(__tsp),
                    __decay_copy(_VSTD::forward<_Fp>(__f)),
                    __decay_copy(_VSTD::forward<_Args>(__args))...));
    int __ec = __libcpp_thread_create(&__t_, &__thread_proxy<_Gp>, __p.get());
    if (__ec == 0)
        __p.release();
    else
        __throw_system_error(__ec, "thread constructor failed");
}

1-1. std::thread::thread 在 unix 平台的實作內容

__libcpp_thread_create 在 unix 平台是呼叫 pthread_create

libcxx/include/__threading_supportlink

typedef pthread_t __libcpp_thread_t;
...
int __libcpp_thread_create(__libcpp_thread_t *__t, void *(*__func)(void *),
                           void *__arg)
{
  return pthread_create(__t, 0, __func, __arg);
}

1-2. std::thread::thread 在 windows 平台的實作內容

__libcpp_thread_create 在 windows 平台是呼叫 _beginthreadex

libcxx/src/support/win32/thread_win32.cpplink

int __libcpp_thread_create(__libcpp_thread_t *__t, void *(*__func)(void *),
                           void *__arg)
{
  auto *__data = new __libcpp_beginthreadex_thunk_data;
  __data->__func = __func;
  __data->__arg = __arg;

  *__t = reinterpret_cast<HANDLE>(_beginthreadex(nullptr, 0,
                                                 __libcpp_beginthreadex_thunk,
                                                 __data, 0, nullptr));

  if (*__t)
    return 0;
  return GetLastError();
}

2. std::thread::join 的實作

join 轉換成內部的 __libcpp_thread_join

libcxx/src/thread.cpplink

void
thread::join()
{
    int ec = EINVAL;
    if (!__libcpp_thread_isnull(&__t_))
    {
        ec = __libcpp_thread_join(&__t_);
        if (ec == 0)
            __t_ = _LIBCPP_NULL_THREAD;
    }

    if (ec)
        __throw_system_error(ec, "thread::join failed");
}

2-1. std::thread::join 在 unix 平台的實作內容

__libcpp_thread_join 在 unix 平台是呼叫 pthread_join

libcxx/include/__threading_supportlink

int __libcpp_thread_join(__libcpp_thread_t *__t)
{
  return pthread_join(*__t, 0);
}

2-2. std::thread::join 在 windows 平台的實作內容

__libcpp_thread_join 在 windows 平台是呼叫 WaitForSingleObjectEx 和 CloseHandle

libcxx/src/support/win32/thread_win32.cpplink

int __libcpp_thread_join(__libcpp_thread_t *__t)
{
  if (WaitForSingleObjectEx(*__t, INFINITE, FALSE) == WAIT_FAILED)
    return GetLastError();
  if (!CloseHandle(*__t))
    return GetLastError();
  return 0;
}

總結

在一番 trace code 的結果後，std::thread 在 llvm 的 libc++ 實作是這樣的，
在 unix 下
std::thread::thread 轉換成 pthread_create
std::thread::join 轉換成 pthread_join
在 windows 下
std::thread::thread 轉換成 _beginthreadex
std::thread::join 轉換成 WaitForSingleObjectEx 和 CloseHandle

線上 trace code 工具

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thread::thread()
__libcpp_thread_create()