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Effective Modern C++ 條款 37：確保 std::thread 在所有路徑上皆不可連接

編輯：關於C++

確保 std::thread 在所有執行路徑上變為不可連接

每個 std::thread 物件皆處於兩種狀態之一：可連接 或 不可連接。可連接的 std::thread 對應一個真實存在的底層執行緒——該執行緒可能正在運行、被阻塞、或等待排程。不可連接的 std::thread 則無對應的底層執行緒，主要包含以下四種情況：

預設建構：無可執行函式，故無底層執行緒。
被移動後：所有權轉移給另一個 std::thread。
已呼叫 join()：底層執行緒已結束，無對應執行緒。
已呼叫 detach()：std::thread 與底層執行緒分離。

std::thread 的可連接性至關重要，原因在於：若可連接的執行緒物件被解構，程式會被終止。這是標準委員會為避免隱式 join 或 detach 導致更嚴重問題（效能異常、未定義行為）而做出的設計決策。

問題示範

假設有一個函式 doWork，需在背景執行緒執行耗時的過濾運算，主執行緒則檢查條件決定是否等待結果：

constexpr auto tenMillion = 10'000'000; // C++14 數字分隔符

bool doWork(std::function<bool(int)> filter, int maxVal = tenMillion) {
    std::vector<int> goodVals;
    std::thread t([&filter, maxVal, &goodVals] {
        for (auto i = 0; i <= maxVal; ++i) {
            if (filter(i)) goodVals.push_back(i);
        }
    });

    auto nh = t.native_handle(); // 取得原生句柄以設定優先權
    // ... 使用 nh 設定執行緒優先權 ...

    if (conditionsAreSatisfied()) {
        t.join();
        performComputation(goodVals);
        return true;
    }
    return false; // 危險！t 仍可連接，析構時會 terminate
}

若 conditionsAreSatisfied() 回傳 false 或拋出異常，t 在離開作用域時仍為可連接狀態，導致程式終止。

為何不隱式 join 或 detach？

隱式 join：會導致難以追蹤的效能異常。呼叫端明明不想等待，卻被迫阻塞。
隱式 detach：會造成更難除錯的未定義行為。區域變數（如 goodVals）在函式返回時銷毀，但脫離的執行緒仍持有其引用，導致堆疊記憶體被破壞，除錯極其困難。

解決方案：RAII 包裝類別

在所有路徑上確保 std::thread 變為不可連接，最可靠的方式是使用 RAII（資源獲取即初始化）模式。標準庫未提供 std::thread 的 RAII 包裝器，因為委員會不想預設選擇 join 或 detach。但我們可自行實作：

class ThreadRAII {
public:
    enum class DtorAction { join, detach };

    ThreadRAII(std::thread&& t, DtorAction a)
        : action(a), t(std::move(t)) {}

    ~ThreadRAII() {
        if (t.joinable()) {
            if (action == DtorAction::join) {
                t.join();
            } else {
                t.detach();
            }
        }
    }

    std::thread& get() { return t; }

    // 支援移動語意
    ThreadRAII(ThreadRAII&&) = default;
    ThreadRAII& operator=(ThreadRAII&&) = default;

private:
    DtorAction action;
    std::thread t;
};

關鍵設計細節：

建構函數接受右值參考：std::thread 不可複製，只能移動。
成員變數宣告順序：將 std::thread 放在最後，確保先初始化其他成員，避免執行緒啟動時存取未初始化的資料。
提供 get()：類似智慧指標，允許存取內部 std::thread 以呼叫 native_handle() 等介面。
析構前檢查 joinable()：對不可連接的執行緒呼叫 join/detach 屬未定義行為。
無競爭條件：std::thread 狀態只能透過成員函式改變，析構函數執行時不應有其他執行緒同時呼叫該物件的成員函式。

改寫後的 doWork

bool doWork(std::function<bool(int)> filter, int maxVal = tenMillion) {
    std::vector<int> goodVals;

    ThreadRAII t(
        std::thread([&filter, maxVal, &goodVals] {
            for (auto i = 0; i <= maxVal; ++i) {
                if (filter(i)) goodVals.push_back(i);
            }
        }),
        ThreadRAII::DtorAction::join // 析構時 join
    );

    auto nh = t.get().native_handle();
    // ... 設定優先權 ...

    if (conditionsAreSatisfied()) {
        t.get().join(); // 明確 join，RAII 析構時 t 已不可連接
        performComputation(goodVals);
        return true;
    }
    return false; // 安全：RAII 析構會 join
}

此處選擇 join 而非 detach，因為 detach 會導致區域變數生命週期問題。雖然 join 可能造成效能異常（條款 39 將討論如何避免），但比起未定義行為或程式終止，效能異常是三害中最輕微者。