异步编程之std::future(一): 使用

目录

1.概述

2.std::future的基本用法

3.使用 std::shared_future

4.std::future的使用场景

5.总结

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1.概述

        在编程实践中，我们常常需要使用异步调用。通过异步调用，我们可以将一些耗时、阻塞的任务交给其他线程来执行，从而保证当前线程的快速响应能力。还有一些场景可以通过将一个任务，分成多个部分然后将这部分交给多个线程来进行并发执行，从而完成任务的快速计算执行，提高应用性能。这里就需要用到异步调用的概念。

        异步调用，就是当前线程将一个任务交给另外一个线程来进行执行，当前线程会接着执行当前任务，不需要等待这个交付给其他线程执行的任务的结果，直到其在未来的某一个时刻需要使用这个任务执行结果数据的时候。

        std::future 是 C++11 标准库中引入的一个非常重要的特性，它提供了一种机制来访问异步操作的结果。当你启动一个异步操作（比如，通过 std::async、std::packaged_task、std::promise 等）时，你可以立即获得一个 std::future 对象，这个对象将在异步操作完成时持有操作的结果。

2.std::future的基本用法

要理解 std::future 的用法，我们需要先了解几个相关的组件：

• std::async：用于启动异步任务，并返回一个 std::future 对象。

• std::promise：用于设置将来某个时刻的值，可以与 std::future 配合使用。

• std::future：用于获取异步操作的结果。

1）使用 std::async 创建异步任务

std::async 是最简单、最直接的创建异步任务的方式。我们来看一个简单的例子：

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>int main() {// 启动一个异步任务，计算某个复杂的结果std::future<int> result = std::async(std::launch::async, []() -> int {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作return 42;});std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl;// 等待并获取结果int value = result.get();std::cout << "Result: " << value << std::endl;return 0;
}

        在这个例子中，我们使用 std::async 启动了一个异步任务，该任务在后台计算一个结果并返回一个 std::future 对象。我们可以继续执行其他操作，直到需要获取异步任务的结果时，调用 result.get() 阻塞等待并获取结果。

2）使用 std::promise 和 std::future

        除了 std::async，我们还可以使用 std::promise 和 std::future 来实现更灵活的异步任务管理。std::promise 用于在某个时刻设置结果，而 std::future 用于在稍后获取该结果。来看一个具体的例子：

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>void compute(std::promise<int>& prom) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作prom.set_value(42); // 设置结果
}int main() {std::promise<int> prom;std::future<int> fut = prom.get_future();std::thread t(compute, std::ref(prom));std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl;int value = fut.get();std::cout << "Result: " << value << std::endl;t.join();return 0;
}

        在这个例子中，我们创建了一个 std::promise 对象，并通过 get_future() 获取与之关联的 std::future 对象。然后，我们启动一个线程，在该线程中执行耗时操作并设置结果。主线程可以继续执行其他操作，直到调用 fut.get() 阻塞等待并获取结果。

3）std::future的尝试等待

std::future 还提供了 wait_for() 和 wait_until() 方法，允许你尝试等待一段时间或直到某个时间点。这些方法不会永久阻塞线程，而是会在指定的时间或条件到达时返回。如：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <future>
#include <thread>
#include <chrono>int async_task(int id) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(id));return id * id;
}int main() {std::vector<std::future<int>> futures;for (int i = 1; i <= 3; ++i) {futures.push_back(std::async(std::launch::async, async_task, i));}for (auto& fut : futures) {std::cout << "Result: " << fut.get() << std::endl;}return 0;
}

4）std::future的错误处理

        如果异步操作中抛出了异常，并且该异常没有被捕获，那么当你调用 get() 方法时，这个异常会被重新抛出。因此，你需要准备好处理这些可能的异常。如：

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>void compute(std::promise<int>& prom) {try {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作throw std::runtime_error("Something went wrong"); // 抛出异常prom.set_value(42); // 设置结果} catch (...) {prom.set_exception(std::current_exception()); // 设置异常}
}int main() {std::promise<int> prom;std::future<int> fut = prom.get_future();std::thread t(compute, std::ref(prom));std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl;try {int value = fut.get();std::cout << "Result: " << value << std::endl;} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;}t.join();return 0;
}

        在这个例子中，我们在 compute 函数中抛出了一个异常，并在 std::promise 对象中设置该异常。主线程在调用 fut.get() 时，会捕获并处理这个异常。 

注意事项

• 每个 std::future 对象只能调用一次 get() 方法。
• 一旦 std::future 对象的 get() 方法被调用并返回了结果，或者 std::future 对象被移动，它就不能再用来获取结果了。
• 如果异步操作抛出异常且该异常在 std::future 对象被销毁前未被捕获，则程序将终止。因此，请确保在销毁 std::future 对象之前调用 get() 方法并适当处理异常。

3.使用 std::shared_future

        有时候，我们希望多个线程可以共享一个 std::future 对象的结果。C++11 引入了 std::shared_future，它允许多个线程安全地访问同一个异步操作的结果。来看一个例子：

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>
#include <vector>void compute(std::shared_future<int> fut) {std::cout << "Thread got result: " << fut.get() << std::endl;
}int main() {std::promise<int> prom;std::shared_future<int> fut = prom.get_future().share();std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 3; ++i) {threads.emplace_back(compute, fut);}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));prom.set_value(42);for (auto& t : threads) {t.join();}return 0;
}

        在这个例子中，我们使用 std::promise 创建了一个 std::shared_future 对象，并将其传递给多个线程。这些线程可以共享并安全地访问同一个异步操作的结果。

4.std::future的使用场景

• 并行计算：当你需要将计算任务分配给多个线程并行执行，并需要等待所有任务完成时。
• 异步IO：在进行耗时的IO操作时，可以使用异步方式执行，并在操作完成时继续处理。
• 性能优化：通过异步处理非关键路径上的操作，可以提高应用程序的响应性和吞吐量。

5.总结

   std::future 是 C++ 中进行异步编程的重要工具，它简化了异步操作的启动、结果查询和异常处理。通过合理使用 std::future 和相关机制，可以编写出既高效又易于维护的异步代码。