C++：std::thread arguments must be invocable after conversion to rvalues

引言

最近在看《C++并发编程实战》的时，书上有一句话这么写：

这些参数会拷贝至新线程的内存空间中(同临时变量一样)。即使函数中的参数是引用的形式，拷贝操作也会执行。

这有悖linux c的Pthreads API和引用的含义，我便想试试，如果是引用，子线程究竟是和父进程共享一个对象，还是说各持一份拷贝。

由于cout并不具有线程安全性（来自陈硕），且使用多次输出运算符相当于调用多次operator<<()，可能使输出变得杂乱，我并没有使用它。方便起见，我也没有使用condition这样的同步原语。

于是我的测试代码是这么写的：

#include 
#include 

using namespace std;

void thread_func(string& data) {
  printf("thread : initial data is %s\n", data.c_str());

  data.assign("child thread's data\n");
  printf("thread : data altered\n");

  printf("thread : final data is %s\n", data.c_str());
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  const char* base = "main thread's data";
  string data(base);
  printf("main : initial data is %s\n", data.c_str());
  thread t(thread_func, data);
//  thread t(thread_func, ref(data));

  sleep(5);

  data.compare(base) ?
  	cout << "book is wrong" << endl :
  	cout << "book is correct" << endl;
  t.join();
  return 0;
}

这段代码并不能通过编译，完整报错是：

In template: static_assert failed due to requirement ‘__is_invocable::value’ “std::thread arguments must be invocable after conversion to rvalues”。

我求助了百度翻译，但它并不靠谱：

在模板中：由于要求“\u is \u invocable：：value’”std:：thread arguments must be invocable after conversion to rvalues”，static \u assert失败

大致意思是：
在模板中：由于requirement ‘__is_invocable::value’ ，static_assert失败，在转化为右值后std::thread参数必须被调用。

std::thread部分源码长这样：

thread() noexcept = default;
    template<typename _Callable, typename... _Args,
	     typename = _Require<__not_same<_Callable>>>
      explicit
      thread(_Callable&& __f, _Args&&... __args)
      {
	static_assert( __is_invocable<typename decay<_Callable>::type,
				      typename decay<_Args>::type...>::value,
	  "std::thread arguments must be invocable after conversion to rvalues"
	  );

#ifdef GTHR_ACTIVE_PROXY
	// Create a reference to pthread_create, not just the gthr weak symbol.
	auto __depend = reinterpret_cast<void(*)()>(&pthread_create);
#else
	auto __depend = nullptr;
#endif
	// A call wrapper holding tuple{DECAY_COPY(__f), DECAY_COPY(__args)...}
	using _Invoker_type = _Invoker<__decayed_tuple<_Callable, _Args...>>;

	_M_start_thread(_S_make_state<_Invoker_type>(
	      std::forward<_Callable>(__f), std::forward<_Args>(__args)...),
	    __depend);
      }

一些我知道的细节：

• 对于构造函数，thread提供了两个版本，一个是默认的，另一个是模板，而具有自动推导参数的能力，因此std::thread允许我们使用各种的callable entity去设置线程的回调函数。此外，可变模板参数使我们能方便的控制回调函数参数的类型。
  注意这里不能使用function，毕竟function是要指定可调用对象的签名的，而模板能帮助我们推导出来，适应性更强。
• __is_invocable是一个模板，作用应该是检测传入的参数是被调用。当不成立使，value为false，触发静态断言，停止编译，我并没有去深究这个工具模板的运作方式。
• &&能够保持模板形参的const和左右值属性，在此处会发生一个引用折叠。
• 用std::forward进行转发，std::forward返回T&&，如果是左值将被折叠为T&，仍然是一个左值，如果是右值将被折叠为T&&，仍然是一个右值。

解决方案

书上也提供了一种解决方案（怪我没有往下看…）：使用std::ref。

原因是：内部代码会将拷贝的参数以右值的方式进行传递，这是为了那些只支持移动的类型。

关于这点我又觉得很好奇，去找了源码，但只是大概，并没有本质的解决这个问题。

std::ref的源码：

  /// Denotes a reference should be taken to a variable.
  template<typename _Tp>
    _GLIBCXX20_CONSTEXPR
    inline reference_wrapper<_Tp>
    ref(_Tp& __t) noexcept
    { return reference_wrapper<_Tp>(__t); }

可以看到std::ref实际上是一个函数模板，它本身并不能成为引用，而是通过模板引用的第一条特殊推导规则，_Tp被推导为_Tp&，再交给reference_wrapper。

再看看reference_wrapper的源码：

template<typename _Tp>
    class reference_wrapper
#if __cplusplus <= 201703L
    // In C++20 std::reference_wrapper allows T to be incomplete,
    // so checking for nested types could result in ODR violations.
    : public _Reference_wrapper_base_memfun<typename remove_cv<_Tp>::type>
#endif
    {
      _Tp* _M_data;

由于其他地方我也看不懂，就不放上来了，哈哈哈哈哈。
大致看出来，reference_wrapper用指针来实现引用，实际上，大多数编译器也是这么干的。
因此，std::ref使用于那些只能使用值传递而不能使用引用传递的地方。

注意看到源码中还有一个std::decay，关于这个我又去找了cplusplus官网的解释。
如下：

    If T is a function type, a function-to-pointer conversion is applied and the decay type is the same as: add_pointer<T>::type
    If T is an array type, an array-to-pointer conversion is applied and the decay type is the same as: add_pointer<remove_extent<remove_reference<T>::type>::type>::type
    Otherwise, a regular lvalue-to-rvalue conversion is applied and the decay type is the same as: remove_cv<remove_reference<T>::type>::type.

看最下面一行，对于其他类型，会应用一个从左值到右值的转换，可能说这里就是那个丢失引用性质的地方。

再看源码：

#ifdef GTHR_ACTIVE_PROXY
	// Create a reference to pthread_create, not just the gthr weak symbol.
	auto __depend = reinterpret_cast<void(*)()>(&pthread_create);
#else
	auto __depend = nullptr;
#endif
	// A call wrapper holding tuple{DECAY_COPY(__f), DECAY_COPY(__args)...}
	using _Invoker_type = _Invoker<__decayed_tuple<_Callable, _Args...>>;

	_M_start_thread(_S_make_state<_Invoker_type>(
	      std::forward<_Callable>(__f), std::forward<_Args>(__args)...),
	    __depend);
      }

可以看到这里实际上最终还是调用到pthread_create，此外还用到了一个tuple。

我们知道pthread_create参数类型是void*，我想应该是C++为了实现可变模板参数，把…中的内容放到一个tuple中，而为了照顾那些只支持右值传递的类型，tuple中放的是经过std::decay的类型，具体没有考证，这是个人猜想。

我想到了这一步也没必要再去死扣源码了，我们的目的已经达成一大半了。

放弃扣这个细节，换成注释的内容后：

main : initial data is main thread's data
thread : initial data is main thread's data
thread : data altered
thread : final data is child thread's data
book is wrong

我们发现子线程中的data仍然是主线程的data，这符合了我们之前的猜想，可能是书本描述有一些问题吧。

忠告

不要暴露handler给其他线程，除非明确持有handler的线程早于持有对象的线程结束。