标准库提供了一些工具来获取异步任务（即在单独的线程中启动的函数）的返回值，并捕捉其所抛出的异常。这些值在共享状态中传递，其中异步任务可以写入其返回值或存储异常，而且可以由持有该引用该共享态的 std::future 或 std::shared_future 实例的线程检验、等待或是操作这个状态。
并发支持库 (C++11 起) - cppreference.com
future模板类
概念:
future - C++ Reference (cplusplus.com)
future类用于给线程提供一个方便管理和获取异步操作的结果的功能.
这个类允许将一个异步操作封装为一个未来可获取结果的对象，从而实现了高效的并发编程。
注意:
- future本身没有set方法,必须搭配promise进行使用.
- future对象要在需要传递结果的线程间可见(能够看见同一个future) -- 引用传递
成员函数:
- 定义
template< class T > class future;
template< class T > class future<T&>;
template<> class future<void>; //空 -- 不需要返回结果的future.
- 构造函数
future() noexcept; //空对象
future( future&& other ) noexcept; //只允许移动
future( const future& other ) = delete; //禁止拷贝
- operator=
future& operator=( future&& other ) noexcept; //只允许移动
future& operator=( const future& other ) = delete; //禁止拷贝
- get
取出future对象内保存的数据.是阻塞函数,如果目标future所在线程一直没有set_value,则会一直等待,直到set_value,成功获取到数据后解除阻塞.
//三个重载函数,根据future的数据类型自动决定
T get();
T& get();
void get(); //空future对象没有东西传的时候使用
- wait
阻塞等待,直到目标线程set_value.和get类似,只是没有返回值.
void wait() const;
- wait_for & wait_until
阻塞等待一段时长和等待到某时刻.之后会返回future的状态
template< class Rep,class Period >
std::future_status wait_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration ) const;
template< class Clock,class Duration >
std::future_status wait_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time ) const;
| 常量 | 解释 |
|---|---|
| future_status::deferred | 子线程中的任务函仍未启动(配合std::async生效) |
| future_status::ready | 子线程中的任务已经执行完毕，结果已就绪 |
| future_status::timeout | 子线程中的任务正在执行中，指定等待时长已用完 |
- share
返回多个线程共享的future对象,即shared_future模板类
shared_future<T> share();
返回值:shared_future<T>(std::move(*this))
promise类
promise类内封装了future对象,用于管理和使用future对象.
- 定义
template< class R > class promise;
template< class R > class promise<R&>;
template<> class promise<void>;
- 构造函数
promise();
promise( promise&& other ) noexcept; //
promise( const promise& other ) = delete; //禁止拷贝
- get_future
在std::promise类内部管理着一个future类对象，调用get_future()就可以得到这个future对象了
std::future<T> get_future();
- set_value系列
| set_value | 设置结果为指定值 (公开成员函数) |
|---|---|
| set_value_at_thread_exit | 设置结果为指定值，同时仅在线程退出时分发提醒 (公开成员函数) |
| set_exception | 设置结果为指示异常 (公开成员函数) |
| set_exception_at_thread_exit | 设置结果为指示异常，同时仅在线程退出时分发提醒 (公开成员函数) |
- set_value
存储要传出的 value 值，并立即让状态就绪，这样数据被传出其它线程就可以得到这个数据了。重载的第四个函数是为promise<void>类型的对象准备的。
void set_value( const R& value );
void set_value( R&& value );
void set_value( R& value );
void set_value();
- set_value_at_thread_exit
存储要传出的 value 值，但是不立即令状态就绪。在当前线程退出时，子线程资源被销毁，再令状态就绪。
void set_value_at_thread_exit( const R& value );
void set_value_at_thread_exit( R&& value );
void set_value_at_thread_exit( R& value );
void set_value_at_thread_exit();
promise的使用例程:
#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>
#include <chrono>
#include <future>
void func(std::promise<std::string>& pro) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
pro.set_value("hello world");
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
int main() {
std::promise<std::string> pro;
std::thread t1(func,std::ref(pro));
auto fut = pro.get_future();
while (true) {
bool flag = false;
std::future_status ret = fut.wait_for(std::chrono::seconds(1));
switch (ret) {
case std::future_status::deferred: //只有async函数才有效
std::cout << "异步线程还未启动" << "\n";
break;
case std::future_status::ready:
std::cout << "结果已就绪" << "\n";
flag = true;
break;
case std::future_status::timeout:
std::cout << "等待超时" << "\n";
break;
default:
std::cout << "结果异常" << "\n";
}
if (flag == true) {
break;
}
std::cout << "do something..." << "\n";
std::this_thread::sleep_until(std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(1));
}
std::cout << "输出结果::" << fut.get() << "\n";
t1.join();
return 0;
}
packaged_task模板类
packaged_task包装了一个可调用对象包装器类对象,内部管理着一个future对象.
与promise用法类似.区别是promise只管理着future对象,而packaged_task还具备可调用对象的功能.
- 定义
template< class > class packaged_task;
template< class R,class ...Args >
class packaged_task<R(Args...)>; //必须显式指定模板参数
- 构造函数
packaged_task() noexcept; //不可传给子线程,那有什么用?
template <class F>
explicit packaged_task( F&& f );
packaged_task( const packaged_task& ) = delete; //禁止拷贝
packaged_task( packaged_task&& rhs ) noexcept;
- get_future
和promise类似
std::future<R> get_future();
例程:
#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>
#include<chrono>
#include<future>
#include<string>
class Base {
public:
using funcptr = std::string(*)(std::string,int num);
public:
std::string operator()(std::string msg) {
return std::string("operator(): " + msg);
}
operator funcptr() { //若类型转换成函数,可以通过仿函数方式直接使用对象()进行调用;但如果与operator()的函数指针类型相同,则只会使用operator(),而不会调用operator T(),即operator T()被隐藏.
return Showmsg; //为了区分两者,可使用不同的函数指针类型.
}
static std::string Showmsg(std::string msg,int num) {
return std::string("showmsg(): " + msg + std::to_string(num));
}
std::string func(std::string msg) {
return std::string("func(): " + msg);
}
private:
};
int main() {
std::cout << Base()("hello") << "\n"; //operator ()()
std::cout << Base()("hello",1) << "\n"; //operator T()()
std::cout << Base() << "\n"; //operator T()
Base b;
std::packaged_task<std::string(std::string)> p_task1(b);
std::packaged_task<std::string(std::string,int)> p_task2(b);
std::packaged_task<std::string(std::string,int)> p_task3(std::bind(Base::Showmsg,"hello",3)); //最好的用法,是让bind自动推导模板参数
std::packaged_task<std::string(std::string)> p_task4(std::bind(&Base::func,&b,std::placeholders::_1));
p_task1("p_tast1 hello");
p_task2("p_tast2 hello",2);
p_task3("p_task3 hello",3);
p_task4("p_task4 hello");
std::future<std::string> fut1 = p_task1.get_future();
std::future<std::string> fut2 = p_task2.get_future();
std::future<std::string> fut3 = p_task3.get_future();
std::future<std::string> fut4 = p_task4.get_future();
puts("");
std::cout << fut1.get() << "\n";
std::cout << fut2.get() << "\n";
std::cout << fut3.get() << "\n";
std::cout << fut4.get() << "\n";
return 0;
}
async模板函数
async是C++11提供用于简化并发编程的模板函数,async函数同样封装有future对象,能够将异步任务的结果(return_value)保存在内部的future对象中,且该future对象为async的返回值,便于提取异步任务的结果.
template< class Function,class... Args>
std::future<std::result_of_t<std::decay_t<Function>(std::decay_t<Args>...)>>
async( Function&& f,Args&&... args );
template< class Function,class... Args >
std::future<std::result_of_t<std::decay_t<Function>(std::decay_t<Args>...)>>
async( std::launch policy,Function&& f,Args&&... args );
参数:
Args：传递给 f 的参数（实参）
policy：可调用对象·f的执行策略
| 策略 | 说明 |
|---|---|
| std::launch::async | 调用async函数时创建新的线程执行任务函数 |
| std::launch::deferred | 调用async函数时不执行任务函数，直到调用了future的get()或者wait()时才执行任务（这种方式不会创建新的线程） |
| std::launch::async|std::launch::deferred | 自动选择异步或延迟执行任务，具体取决于系统负载和资源可用性等因素。 |
注:policy == std::launch::async|std::launch::deferred时,和默认不带policy参数的async行为是完全一样的,都是未定义的.
此时如果 policy 是 std::launch::async | std::launch::deferred 或者设置了额外位，那么就会回退到推迟调用或其他由实现定义的策略。
优点:
使用async()函数，是多线程操作中最简单的一种方式，不需要自己创建线程对象，并且可以得到子线程函数的返回值。
例程:
#include <iostream>
#include <thread>
#include <functional>
#include<chrono>
#include<future>
#include<string>
int func(std::string msg,int x) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout<<"thread_id: "<<std::this_thread::get_id() << " msg: " << msg << "\n";
return x; //返回给async中的future对象.
}
int main() {
std::cout<<"main thread_id: "<<std::this_thread::get_id()<<"\n";
std::future<int> fut1 = std::async(std::launch::async,func,"fut1",1); //立即创建新一个线程执行
std::future<int> fut2 = std::async(std::launch::deferred,"fut2",2); //fut.get()调用后,在主线程执行
auto fut3 = std::async(std::launch::async|std::launch::deferred,"fut3",3); //交由系统策略自动决定.
std::cout<<fut1.get()<<"\n";
std::cout<<fut2.get()<<"\n";
std::cout<<fut3.get()<<"\n";
return 0;
}
shared_future模板类
C++11中的std::shared_future是个模板类。与std::future类似，std::shared_future提供了一种访问异步操作结果的机制；
不同于std::future，std::shared_future允许多个线程等待同一个共享状态；
不同于std::future仅支持移动操作，std::shared_future既支持移动操作也支持拷贝操作，而且多个shared_future对象可以引用相同的共享状态。
std::shared_future还允许一旦共享状态就绪就可以多次检索共享状态下的值(A shared_future object behaves like a future object,except that it can be copied,and that more than one shared_future can share ownership over their end of a shared state. They also allow the value in the shared state to be retrieved multiple times once ready)。
std::shared_future对象可以通过std::future对象隐式转换，也可以通过显示调用std::future::share显示转换，在这两种情况下，原std::future对象都将变得无效。
共享状态(shared state)的生存期至少要持续到与之关联的最后一个对象被销毁为止。与std::future不同，通过shared_future::get检索的值不会释放共享对象的所有权。
当你需要具有std::future的多个有效拷贝时会用到std::shared_future；或者多个使用者使用std::future时也会用到std::shared_future。
-
构造函数：
(1).不带参数的默认构造函数，此对象没有共享状态，因此它是无效的，但是它可以被赋予一个有效值；
(2).拷贝构造：与const shared_future& x具有相同的共享状态，并与之共享所有权；
(3).支持移动构造。
-
析构函数：销毁shared_future对象，它是异常安全的。如果对象有效(即它可以访问共享状态)，则将其与对象接触关联；如果它是与共享状态关联的唯一对象，则共享对象本身也将被销毁。
-
get函数：
(1).当共享状态就绪时，返回存储在共享状态中的值的引用(或抛出异常)。
(2).如果共享状态尚未就绪(即provider提供者尚未设置其值或异常)，则该函数将阻塞调用的线程直到就绪。
(3).当共享状态就绪后，则该函数将解除阻塞并返回(或抛出)，但与future::get不同，不会释放其共享状态，允许其它shared_future对象也访问存储的值。
(4).std::shared_future
::get()不返回任何值，但仍等待共享状态就绪才返回或抛出。 -
operator=：
(1).拷贝赋值：该对象与const shared_future& rhs关联到相同的共享状态，并与之共享所有权；
(2).移动赋值：该对象获取shared_future&& rhs的共享状态，rhs不再有效。
-
valid函数：检查共享状态的有效性，返回当前的shared_future对象是否与共享状态关联。
-
wait函数：
(1).等待共享状态就绪。
(2).如果共享状态尚未就绪(即提供者尚未设置其值或异常)，则该函数将阻塞调用的线程直到就绪。
(3).当共享状态就绪后，则该函数将解除阻塞并void返回。
-
wait_for函数：
(1).等待共享状态在指定的时间内(time span)准备就绪。
(2). 如果共享状态尚未就绪(即提供者尚未设置其值或异常)，则该函数将阻塞调用的线程直到就绪或已达到设置的时间。
(3).此函数的返回值类型为枚举类future_status。此枚举类有三种label：ready：共享状态已就绪；timeout：在指定的时间内未就绪；deferred：共享状态包含了一个延迟函数(deferred function)。
(4).如果共享状态包含了一个延迟函数，则该函数不会阻塞，立即返回一个future_status::deferred值。
-
wait_until函数：
(1). 等待共享状态在指定的时间点(time point)准备就绪。
(2). 如果共享状态尚未就绪(即提供者尚未设置其值或异常)，则该函数将阻塞调用的线程直到就绪或已达到指定的时间点。
(3).此函数的返回值类型为枚举类future_status。
(4).如果共享状态包含了一个延迟函数，则该函数不会阻塞，立即返回一个future_status::deferred值。
