C++11 多线程 future/promise简介

1. < future >头文件简介

• Classes
  std::future
  std::future_error
  std::packaged_task
  std::promise
  std::shared_future
• Functions
  std::async
  std::future_category

2. std::future

简单来说，std::future提供了一种访问异步操作结果的机制。

从字面意思看，它表示未来。通常一个异步操作我们是不能马上就获取操作结果的，只能在未来某个时候获取。我们可以以同步等待的方式来获取结果，可以通过查询future的状态（future_status）来获取异步操作的结果。future_status有三种状态：
deferred：异步操作还没开始
ready：异步操作已经完成
timeout：异步操作超时

获取future结果有三种方式：get、wait、wait_for，其中get等待异步操作结束并返回结果，wait只是等待异步操作完成，没有返回值，wait_for是超时等待返回结果。

例子：

    //查询future的状态
    std::future_status status;
    do {
        status = future.wait_for(std::chrono::seconds(1));
        if (status == std::future_status::deferred) {
            std::cout << "deferred\n";
        } else if (status == std::future_status::timeout) {
            std::cout << "timeout\n";
        } else if (status == std::future_status::ready) {
            std::cout << "ready!\n";
        }
    } while (status != std::future_status::ready);

3. std::promise

Promise对象可保存T类型的值，该值可被future对象读取(可能在另一个线程中)，这是promise提供同步的一种手段。在构造promise时，promise对象可以与共享状态关联起来，这个共享状态可以存储一个T类型或者一个由std::exception派生出的类的值，并可以通过get_future来获取与promise对象关联的对象，调用该函数之后，两个对象共享相同的共享状态(shared state)。
Promise对象是异步provider，它可以在某一时刻设置共享状态的值。
Future对象可以返回共享状态的值，或者在必要的情况下阻塞调用者并等待共享状态标识变为ready，然后才能获取共享状态的值。

例子：

#include <iostream>       // std::cout
#include <functional>     // std::ref
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future

void print_int(std::future<int>& fut) {
    int x = fut.get(); // 获取共享状态的值.
    std::cout << "value: " << x << '\n'; // 打印 value: 10.
}

int main ()
{
    std::promise<int> prom; // 生成一个 std::promise<int> 对象.
    std::future<int> fut = prom.get_future(); // 和 future 关联.
    std::thread t(print_int, std::ref(fut)); // 将 future 交给另外一个线程t.
    prom.set_value(10); // 设置共享状态的值, 此处和线程t保持同步.
    t.join();
    return 0;
}

std::promise 构造函数

• 1.默认构造函数，初始化一个空的共享状态。
• 2.带自定义内存分配器的构造函数，与默认构造函数类似，但是使用自定义分配器来分配共享状态。
• 3.拷贝构造函数，被禁用。
• 4.移动构造函数。
  另外，std::promise 的 operator= 没有拷贝语义，即 std::promise 普通的赋值操作被禁用，operator= 只有 move 语义，所以 std::promise 对象是禁止拷贝的。

std::promise 成员函数

std::promise::get_future：返回一个与promise共享状态相关联的future对象
std::promise::set_value：设置共享状态的值，此后promise共享状态标识变为ready
std::promise::set_exception：为promise设置异常，此后promise的共享状态标识变为ready
std::promise::set_value_at_thread_exit：设置共享状态的值，但是不将共享状态的标志设置为 ready，当线程退出时该 promise 对象会自动设置为 ready（注意：该线程已设置promise的值，如果在线程结束之后有其他修改共享状态值的操作，会抛出future_error(promise_already_satisfied)异常）
std::promise::swap：交换 promise 的共享状态

4. std::packaged_task

std::packaged_task包装了一个可调用的目标（如function, lambda expression, bind expression, or another function object）,以便异步调用，它和promise在某种程度上有点像，promise保存了一个共享状态的值，而packaged_task保存的是一个函数。

    std::packaged_task<int()> task([](){ return 7; });
    std::thread t1(std::ref(task)); 
    std::future<int> f1 = task.get_future(); 
    auto r1 = f1.get();

5. 小结

Promise，Future 和 Callback常常作为并发编程中一组非阻塞的模型。其中 Future 表示一个可能还没有实际完成的异步任务的【结果】，针对这个结果可以添加 Callback 以便在任务执行成功或失败后做出对应的操作，而 Promise 交由任务执行者，任务执行者通过 Promise 可以标记任务完成或者失败。

6. std::async

std::async大概的工作过程：先将异步操作用std::packaged_task包装起来，然后将异步操作的结果放到std::promise中，这个过程就是创造未来的过程。外面再通过future.get/wait来获取这个未来的结果。

可以说，std::async帮我们将std::future、std::promise和std::packaged_task三者结合了起来。

std::async的原型：

async(std::launch::async | std::launch::deferred, f, args...)

第一个参数是线程的创建策略，默认的策略是立即创建线程：

std::launch::async：在调用async就开始创建线程。
std::launch::deferred：延迟加载方式创建线程。调用async时不创建线程，直到调用了future的get或者wait时才创建线程。
第二个参数是线程函数，后面的参数是线程函数的参数。

简单的例子：

    std::future<int> f1 = std::async(std::launch::async, [](){ 
        return 8;  
    }); 

    cout<<f1.get()<<endl; //output: 8

    std::future<int> f2 = std::async(std::launch::async, [](){ 
        cout<<8<<endl;
    }); 

    f2.wait(); //output: 8