C++ 异步编程：std::async、std::future、std::packaged_task 和 std::promise

C++ 异步编程：std::async、std::future、std::packaged_task 和 std::promise

在现代 C++ 编程中，异步编程已经成为一种常见的模式。利用 C++11 引入的标准库组件 std::async、std::future、std::packaged_task 和 std::promise，我们可以更方便地处理多线程任务。本文将介绍这些组件的基本用法及其应用场景，帮助你理解如何利用这些工具实现高效的异步编程。

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1. std::future 和 std::promise

std::future

std::future 是一种用于获取异步计算结果的机制。它提供了一个等待异步任务完成并获取结果的方法。std::future 对象通过与 std::promise 结合使用，允许线程安全地获取异步操作的结果或异常。

基本用法：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>void async_task(std::promise<int>& prom) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作prom.set_value(42); // 设置计算结果
}int main() {std::promise<int> prom;std::future<int> fut = prom.get_future();std::thread t(async_task, std::ref(prom)); // 使用 std::ref 传递 promise 的引用t.detach(); // 线程分离，允许在主线程中继续执行int result = fut.get(); // 等待异步任务完成并获取结果std::cout << "Result: " << result << std::endl;return 0;
}

解释：

• std::promise<int> 创建一个 promise 对象，用于设置值。
• std::future<int> fut = prom.get_future(); 从 promise 获取 future 对象。
• 在异步线程中，调用 prom.set_value(42); 设置结果。
• fut.get(); 阻塞当前线程，直到结果可用。

std::promise

std::promise 用于在异步操作中设置结果。它与 std::future 结合使用，以便从线程中传递结果或异常。std::promise 对象只能被设置一次，设置多次会引发异常。

基本用法：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>void async_task(std::promise<int> prom) {prom.set_value(42); // 设置计算结果
}int main() {std::promise<int> prom;std::future<int> fut = prom.get_future();std::thread t(async_task, std::move(prom)); // 使用 std::move 转移 promiset.join(); // 等待线程完成int result = fut.get(); // 获取异步任务的结果（会阻塞直到结果可用）std::cout << "Result: " << result << std::endl;return 0;
}

解释：

• std::promise<int> prom; 创建 promise 对象。
• std::future<int> fut = prom.get_future(); 获取 future 对象。
• 在异步线程中，通过 prom.set_value(42); 设置结果。
• fut.get(); 获取结果并阻塞当前线程。

2. std::packaged_task

std::packaged_task 是一个可调用对象，用于将任务的结果与 std::future 绑定。它允许你将一个普通的函数或函数对象封装为一个异步任务，并从中获取结果。

基本用法：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>int long_computation(int x) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作return x * x;
}int main() {std::packaged_task<int(int)> task(long_computation); // 创建任务std::future<int> fut = task.get_future(); // 获取 future 对象std::thread t(std::move(task), 10); // 使用 std::move 转移任务，并传递参数t.join(); // 等待线程完成int result = fut.get(); // 获取异步任务的结果（会阻塞直到结果可用）std::cout << "Result: " << result << std::endl;return 0;
}

解释：

• std::packaged_task<int(int)> task(long_computation); 创建一个任务对象，封装 long_computation 函数。
• std::future<int> fut = task.get_future(); 获取与任务关联的 future 对象。
• std::thread t(std::move(task), 10); 将任务移动到线程中，并传递参数。
• fut.get(); 获取任务结果。

3. std::async

std::async 是一种更高层次的异步操作工具，它可以在后台线程中异步执行函数，并返回一个 std::future 对象，用于获取结果。它比手动创建线程更简单。

基本用法：

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>int long_computation(int x) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作return x * x;
}int main() {std::future<int> fut = std::async(std::launch::async, long_computation, 10); // 异步执行// 可以在这里做其他事情std::cout << "Doing other things while waiting for the result..." << std::endl;int result = fut.get(); // 获取异步任务的结果（会阻塞直到结果可用）std::cout << "Result: " << result << std::endl;return 0;
}

解释：

• std::async(std::launch::async, long_computation, 10); 异步执行 long_computation 函数，并传递参数。
• fut.get(); 获取结果并阻塞当前线程，直到结果可用。

总结

• std::promise 用于设置异步操作的结果或异常。
• std::future 用于获取异步操作的结果或异常。
• std::packaged_task 封装函数为任务，并与 std::future 结合使用。
• std::async 简化异步任务的创建和管理，自动处理线程和任务。

通过理解和使用这些 C++ 标准库组件，你可以更高效地进行异步编程，管理复杂的任务和线程操作。