C++ std::future

std::future是用来接收一个线程的执行结果的,并且是一次性的。

共享状态shared state

future可以关联一个共享状态,共享状态是用来储存要执行结果的。这个结果是async、promise、packaged_task设置的,且这个结果只能设置一次。

创建future

创建future有四种方式

  1.  直接构造函数创建,这种创建的future没用共享状态。
    std::future<DataType> future;
  2. 调用std::async,返回一个future对象,返回的future有共享状态。std::async是执行一个异步任务,这个任务会放到线程池中的线程执行,并通过future返回执行结果。通常异步任务优先考虑使用std::async,而不是std::thread。
    auto future = std::async([]{return DataType{5};
    });
    std::cout <<"future is Valid:" << future.valid() << " , async Result:" << future.get().n << std::endl;
  3. 创建std::promise,然后调用std::promise::get_future获取future对象,返回的future有共享状态。promise可以设置一个值传递给future,也可以设置一个异常传递给future。promise的set_value和set_exception 只能调用一次,调第二次时会抛出异常。如果promise在析构前都未设置结果,调用future::get获取结果会抛出异常。
        {std::cout << "------------- promise -----------------\n";std::promise<DataType> promise;promise.set_value({5});// promise.set_value({6}); //set_value只能调用一次,再次调用会抛出异常auto future = promise.get_future();// auto future2 = promise.get_future(); //get_future只能调用一次,再次调用会抛出异常std::cout <<"future is Valid:" << future.valid() << " , async Result:" << future.get().n << std::endl;}{std::cout << "------------- promise exception -----------------\n";std::promise<DataType> promise;try {throw std::runtime_error("error");} catch (...) {// 如果调用了 promise.set_value ,则不能调用 promise.set_exception ,// 否则 promise.set_exception 会抛出异常promise.set_exception(std::current_exception());}auto future = promise.get_future();try {auto data =  future.get();std::cout <<"future is Valid:" << future.valid() << " , async Result:" << data.n << std::endl;} catch (const std::exception& e) {std::cout << e.what() << std::endl;}}
    
  4. 创建std::packaged_task,然后调用get_futurestd::packaged_task::get_future获取future对象,返回的future有共享状态。
    std::cout << "------------- packaged -----------------\n";
    std::packaged_task<DataType(int)> task([](int a) {return DataType{a};
    });
    auto future = task.get_future();
    // auto future2 = task.get_future(); //get_future只能调用一次,再次调用会抛出异常
    task(5);
    std::cout <<"future is Valid:" << future.valid()<< " , async Result:" << future.get().n << std::endl;

future状态

可以通过函数future::valid可以判断future是否有共享状态。如果有共享状态可以进一步通过函数future::wait_for(0s)来判读结果是否已经设置。wait_for有三个返回值:

  1. future_status::deferred 表示结果还未设置
  2. future_status::ready 表示结果已经设置
  3. future_status::timeout 表示超时

获取结果

通过future::get函数可以获取future的结果,调用get函数需要注意以下几点:

  1.  只有有共享状态的future才能获取结果,如果没有共享状态会抛出异常。
  2. 如果获取数据时future结果已经设置好,则会立即返回。
  3. 如果future状态还未设置好,则会挂起线程一直等待,直到结果被设置。如果相应async、promise、packaged_task到结束都一直未设置状态,则会抛出异常。
  4. get函数只能调用一次,调用完成后则会删除共享状态,再次调用get函数,会因为没有共享状态而抛出异常。

也可以调用wait,wait_for, wait_until等带结果被设置。

多线程调用future

获取future结果时,可以先判断future是否有共享状态,然后再调用get函数获取结果,代码如下:

        if (future.valid()){future.get();}

上面代码在单线程调用没有问题,如果在线程同时调用则会有问题,多个线程会同时判断future有共享状态,因此同时有多个线程调用get函数,而get函数只能被调用一次,从而引发异常。

可以通过加锁解决这个问题,但这并不是好的方法。更优雅的方法是通过future::share函数,为每个线程创建一个std::shared_future。future调用完share将不再拥有共享状态,如下:

如果future本身没有共享状态,调用share会生成一个没有共享状态的shared_future。

shared_future调用get函数时并不会清楚共享状态,所以shared_future可以多次调用get函数。

示例代码:

    std::promise<DataType> promise;auto future = promise.get_future();auto shadedFuture = future.share();std::cout << "future is valid: " << future.valid() << std::endl;std::thread threads[4];for (int i = 0; i < 4; ++i){threads[i] = std::thread([future=shadedFuture](int i){std::cout << std::to_string(i) + ", future is Valid:" + std::to_string(future.valid())+ " , async Result:" + std::to_string(future.get().n) + "\n";}, i);}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds{100});promise.set_value({5});for (int i = 0; i < 4; ++i){threads[i].join();}std::cout << std::endl;

future析构阻塞

当future是由async创建的,且future/shared_future是最后一个指向共享状态的future,如果async还在执行,则future在析构时会阻塞当前线程,等待async执行完成。

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