C++11 异步操作 std::future类

引言

C++11的推出，为C++编程语言带来了革命性的变化，其中std::future类作为异步编程的核心工具，让并发和异步任务的管理变得更加简洁和高效。本文将简要介绍std::future类的基本概念和用法，并通过示例展示其在实际编程中的应用，帮助您更好地理解和利用这一C++11的新特性。

一、异步的概念

异步编程是一种编程范式，它允许程序在等待某个长时间运行的操作（如文件读写、网络通信或复杂计算）完成时，不会阻塞或挂起执行线程，而是可以继续执行其他任务。这种非阻塞的执行方式可以显著提高程序的响应性和吞吐量。

在C++中，异步编程的概念通过C++11标准引入的一系列新特性得到了极大的支持和简化，其中std::future类扮演了关键角色。std::future是一个模板类，用于表示异步操作的结果。它提供了一种机制，允许程序在将来的某个时刻访问该结果，而无需在异步操作完成之前阻塞执行线程。

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二、应用场景

1. 异步任务处理

在处理需要较长时间完成的任务，如网络请求、大规模数据处理或复杂计算时，std::future 提供了一种机制来代表这些异步任务的结果。通过将这些耗时的操作从主线程中分离出来，在后台执行，我们可以让主线程继续处理其他任务，从而实现任务的并行处理。这不仅提高了程序的响应速度，还优化了整体执行效率。

2. 并发控制

在多线程编程环境中，经常需要确保某些操作在另一些操作完成之后才能执行，以维护程序的状态一致性和正确性。std::future 允许我们在多线程之间实现同步控制。通过等待std::future对象代表的异步任务完成，我们可以确保在继续执行依赖于该任务结果的操作之前，该任务已经被成功完成。这种机制有助于简化并发控制逻辑，减少错误和竞态条件的发生。

3. 结果获取

std::future 提供了一种安全且便捷的方式来获取异步任务的结果。通过调用std::future::get()成员函数，我们可以尝试检索异步操作的结果。然而，需要注意的是，如果异步操作尚未完成，调用get()函数将会阻塞当前线程，直到异步操作完成并返回结果。这种方式确保了我们在继续处理结果之前，确实已经获得了所需的数据，从而避免了潜在的数据竞争和错误。因此，std::future提供了一种可靠的机制来同步访问异步操作的结果。

三、使用示例

1. 使用std::async关联异步任务

在C++中，std::async是<future>库中的一个功能强大的工具，它允许你以异步方式启动一个任务，并且这个任务可以立即返回一个std::future对象，通过这个对象你可以在未来某个时刻获取到任务的结果。使用std::async可以很方便地实现并行计算或提高程序的响应性。

💻示例代码

假设我们有两个函数，分别用于执行一些耗时的计算：

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>
#include <thread>// 第一个耗时任务
int task1() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作return 42; // 假设的返回值
}// 第二个耗时任务
int task2() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟耗时操作return 24; // 假设的返回值
}int main() {// 启动两个异步任务auto future1 = std::async(std::launch::async, task1);auto future2 = std::async(std::launch::async, task2);// 等待并获取两个异步任务的结果int result1 = future1.get();int result2 = future2.get();// 输出结果std::cout << "Task 1 result: " << result1 << std::endl;std::cout << "Task 2 result: " << result2 << std::endl;return 0;
}

说明

1. 启动异步任务：使用std::async时，你需要指定任务的启动策略（std::launch::async、std::launch::deferred或它们的组合）和要异步执行的函数。在这个例子中，我们使用了std::launch::async来确保任务在新的线程中立即开始执行。

2. 获取任务结果：std::async返回一个std::future对象，这个对象代表了异步操作的结果。你可以通过调用future.get()来等待异步操作完成并获取其结果。注意，get()会阻塞调用它的线程，直到异步操作完成。

3. 并发执行：在这个例子中，task1和task2会并发执行，因为我们在主线程中几乎同时启动了它们。它们的执行顺序和完成时间取决于操作系统的调度。

在C++中，std::packaged_task与std::future是紧密相关的，它们通常结合使用以实现异步编程和结果传递。std::packaged_task是一个可调用的对象，它封装了一个可以异步执行的函数、lambda表达式、绑定表达式或其他可调用对象，并将该函数的执行结果存储在与std::future相关联的共享状态中。

2. 使用std::packaged_task和std::future配合

（1）定义std::packaged_task

首先，需要定义一个std::packaged_task对象，并为其提供一个返回特定类型结果的函数或可调用对象。这个函数的返回类型将与std::future的类型相关联。

#include <future>
#include <iostream>int compute_value(int x) {// 假设这是一个耗时的计算return x * x;
}int main() {std::packaged_task<int(int)> task(compute_value);// ...
}

（2）获取std::future对象

通过调用std::packaged_task的get_future()成员函数来获取一个std::future对象。这个future对象将用于稍后检索异步操作的结果。

    std::future<int> result = task.get_future();

（3）启动异步任务

std::packaged_task对象可以作为函数对象被调用，但通常不会直接在原线程中这样做，而是将它绑定到一个线程（例如，使用std::thread）或某个异步执行机制（如线程池）上，以异步方式执行。

    std::thread worker(std::move(task), 42); // 传递任务和一个参数// ...
}

注意：在将std::packaged_task传递给线程之前，必须先获取std::future对象，因为一旦std::packaged_task被移动到另一个线程，你就不能再访问原始对象来获取std::future了。

（4）等待异步任务完成并获取结果

在主线程中，你可以通过调用std::future的get()方法来等待异步任务完成并获取结果。调用get()会阻塞当前线程，直到结果可用。

    worker.join(); // 等待线程完成std::cout << "The result is " << result.get() << std::endl;

🚨🚨注意：std::future::get()只能被调用一次，因为结果一旦被取出就无法再次访问。

3. 使用std::promise和std::future配合

在C++中，std::promise和std::future是紧密相关的，它们用于在不同线程之间传递值或异常。std::promise对象允许你在一个线程中设置结果值或异常，而std::future对象则用于在另一个线程中获取这些值或异常。这种机制特别适用于异步编程，其中任务的执行和结果的使用可能发生在不同的线程中。

（1）创建std::promise对象

首先，在产生结果的线程中创建一个std::promise对象。这个对象将用于设置结果值或异常。

（2）获取std::future对象

通过调用std::promise对象的get_future()成员函数来获取一个std::future对象。这个future对象将用于在另一个线程中获取结果。

（3）传递std::future对象

将std::future对象传递给需要结果的线程。这通常通过函数参数、全局变量、共享数据结构或其他线程间通信机制来完成。

（4）在产生结果的线程中设置结果

在产生结果的线程中，使用std::promise对象的set_value()成员函数来设置结果值，或者使用set_exception()来设置异常（如果需要的话）。一旦设置了值或异常，与之关联的future对象就会变为“就绪”状态。

（5）在消费结果的线程中获取结果

在消费结果的线程中，使用std::future对象的get()成员函数来获取结果。如果结果已经就绪，get()将立即返回结果值。如果结果尚未就绪，get()将阻塞当前线程，直到结果变为就绪状态。

📦示例代码

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>void compute_and_set_result(std::promise<int> prom) {// 假设这是一个耗时的计算int result = 42; // 假设的计算结果// 设置结果值prom.set_value(result);
}int main() {// 创建一个promise对象std::promise<int> prom;// 获取与promise关联的future对象std::future<int> fut = prom.get_future();// 启动一个线程来执行耗时的计算并设置结果std::thread worker(compute_and_set_result, std::move(prom));// 等待结果并打印std::cout << "The result is " << fut.get() << std::endl;// 确保线程完成worker.join();return 0;
}