CPP——并发编程（五）future

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对于multi thread的内容，我们还有一个没有介绍。future这个名字很奇怪，为什么叫future？future可以异步访问被不同线程中特定的provider设定的值，可以用来同步不同的线程。看到这里很迷糊，还是看它到底怎么用吧。

future包含了两个provider类：std::promise，std::package_task，两个future类：std::future,std::shared_future，一个provider函数：async，初次之外，它还有其他的函数和类型：

std::future_category（function），std::future_error，std::future_errc，std::future_status以及std::launch。

从这里可以大致看出来，主要操作的对象是future和provider两个类型（并不是具体的cpp类）。他们之间的关系简单来说，就是每个provider都拥有一个共享状态的访问权限，该共享状态可以联系到一个future对象。provider将共享状态设置为ready，与future对象访问共享状态是同步的。

std::promise

promise是一个模板类，而且有两个特殊化模板：引用和void。

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template <class T>  promise;
template <class R&> promise<R&>;     // specialization : T is a reference type (R&)
template <>         promise<void>;   // specialization : T is void

一个promise对象，可以存储一个T类型的值，该值可以被一个future对象从另外的线程取到，从而使得线程之间同步。在构造promise时，它和一个新的共享状态联系到一起，该共享状态可以存储一个T类的值，或者是一个异常来自std::exception。

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//default (1)   
promise();
//with allocator (2) 
template <class Alloc> promise (allocator_arg_t aa, const Alloc& alloc);
//copy [deleted] (3)   
promise (const promise&) = delete;
//move (4) 
promise (promise&& x) noexcept;

可以看到的是，promise有默认构造函数，也可以指定别的分配器，但是它的拷贝构造被删除了，保留了移动构造函数，对于赋值函数也是一样的，保存了移动赋值，删除了拷贝。
下面是promise的其他成员函数：

函数 值
operator= Move-assign promise (public member function )
get_future Get future (public member function )
set_value Set value (public member function )
set_exception Set exception (public member function )
set_value_at_thread_exit Set value at thread exit (public member function )
set_exception_at_thread_exit Set exception at thread exit (public member function )
swap Swap shared states (public member function )

上述成员函数的功能都显而易见，set系列运行后，共享状态变成ready。值得注意的是，在set_value_at_thread_exit和set_exception_at_thread_exit结束之前，别的线程尝试set共享状态的value会抛出错误。

这里重点说明一下get_future，它可以使得当前promise对象的共享状态与一个future对象联系起来。当get_future被调用的时，promise对象和future对象共享同样的共享状态：promise对象是状态异步提供者，可以在某个时间点设置状态值，而future是异步返回对象，它可以获取共享状态值，在有必要的情况下等待它的状态变为ready。下面是使用promise的一个例子。

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// promise example
#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();
  std::cout << "value: " << x << '\n';
}

int main ()
{
  std::promise<int> prom;                      // create promise

  std::future<int> fut = prom.get_future();    // engagement with future

  std::thread th1 (print_int, std::ref(fut));  // send future to new thread

  prom.set_value (10);                         // fulfill promise
                                               // (synchronizes with getting the future)
  th1.join();
  return 0;
}

主线程中prom还没设置值之前，共享状态标志还不是ready，这时候在子线程th1中，fut调用get使得线程阻塞，等待共享状态的标志变为ready，而当主线程中prom调用set_value之后，子线程接触阻塞，并得到设定的值，输出：

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value 10

std::package_task

一个package_task对象是一个callable对象的封装，并且允许它的结果被异步读取。它和std::function类似，只不过有共享状态来存储它的返回值。一般来说，package_task包含两个元素：

  • stored task，也就是对应的callable对象，接受一个对应的参数，返回一个Ret类型的值
  • shared_state，共享状态，用来存储返回值，并且可以被future对象访问

共享状态直到不和任何的provider或者future联系了才会被销毁。

package_task的构造函数如下：

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//default (1)    
packaged_task() noexcept;
//initialization (2) 
template <class Fn>
  explicit packaged_task (Fn&& fn);
//with allocator (3)  
template <class Fn, class Alloc>
  explicit packaged_task (allocator_arg_t aa, const Alloc& alloc, Fn&& fn);
//copy [deleted] (4)    
packaged_task (packaged_task&) = delete;
//move (5)    
packaged_task (packaged_task&& x) noexcept;

它的构造函数与promise实际上各个类型差不多。

下面是package_task的其他成员函数。

函数 描述
operator= Move-assign packaged_task (public member function )
valid Check for valid shared state (public member function )
get_future Get future (public member function )
operator() Call stored task (public member function )
make_ready_at_thread_exit Call stored task and make ready at thread exit (public member function )
reset Reset task (public member function )
swap Swap packaged_task (public member function )

在上述函数中，valid()检查共享状态的有效性。对于默认构造函数，没有与任何函数绑定，该函数返回false。这是因为package_task对象需要绑定任务，因此有效值是必要的，而promise并不需要这样一个函数，它创建之后就一定是有效的。reset()会重置共享状态，但是会保留之前包装的任务。

package_task一个例子如下：

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// packaged_task construction / assignment
#include <iostream>     // std::cout
#include <utility>      // std::move
#include <future>       // std::packaged_task, std::future
#include <thread>       // std::thread

int main ()
{
  std::packaged_task<int(int)> foo;                          // default-constructed, foo.valid() will reture a false
  std::packaged_task<int(int)> bar ([](int x){return x*2;}); // initialized

  foo = std::move(bar);                                      // move-assignment

  std::future<int> ret = foo.get_future();  // get future

  std::thread(std::move(foo),10).detach();  // spawn thread and call task

  // ...

  int value = ret.get();                    // wait for the task to finish and get result

  std::cout << "The double of 10 is " << value << ".\n";

  return 0;
}

上面代码中，首先是让foo绑定了一个任务，接着创建线程，因为foo本身是一个callable对象，因此包装的任务就开始执行，这时候ret.get()会被阻塞，直到任务结束，共享状态变为ready，得到了value的值，输出结果为：

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The double of 10 is 20.

std::future

正如上面所说的，provider和future总是密切相关的。这里我们开始介绍类std::future。

一个std::future对象一般是由provider产生的，比如promise，package_task或者async函数。它可以读取共享状态的值，在之前的例子中它利用get，来阻塞当前线程，直到共享状态的标准变为ready才会返回得到共享状态的值。

std::future有默认构造函数和移动构造函数，一般利用的都是它的移动构造函数，通过provider的get_future得到。std::future还有其他的几个构造函数：

share

得到std::shared_future对象，调用之后它不在和任何共享状态相关联了。

get

get之前的例子多次用到了，在相关联的共享状态标志为ready之前它会阻塞当前的线程，直到provider设定了值或者得到异常，它将接触阻塞并返回对应的值或者异常。

valid

很简单，检查future关联的共享状态是否有效，默认构造的std::future以及调用share之后的std::future对象返回false。

wait

wait和get一样，但是不会读取共享状态的值，只会阻塞线程。

wait_for

等待一段时间，在该段时间内共享状态的标志不是ready则阻塞线程，超时会解除阻塞。

wait_until
等待到某个时间点之前，在时间点前共享状态的标志不是ready则阻塞线程，超时会解除阻塞。

上述两个函数返回值有下面几个可能：

值 描述
future_status::ready 共享状态的标志已经变为 ready，即 Provider 在共享状态上设置了值或者异常。
future_status::timeout 超时，即在规定的时间内共享状态的标志没有变为 ready。
future_status::deferred 共享状态包含一个 deferred 函数。

shared_future

std::shared_future与 std::future类似，但是 td::shared_future可以拷贝，多个std::shared_future可以共享某个共享状态。shared_future可以通过某个std::future对象隐式转换，或者通过 std::future::share()得到，无论哪种转换，被转换的那个std::future对象都会变为invalid。

它的构造函数如下：

类型 函数形式
default (1) shared_future() noexcept;
copy (2) shared_future (const shared_future& x);
move (3) shared_future (shared_future&& x) noexcept;
move from future (4) shared_future (future&& x) noexcept;

其他的和shared_future一样，就不多介绍了。

future_error

future_error继承logic_error，是future可能出现的异常。

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class future_error : public logic_error;

async

还有一个provider函数没介绍，就是async。async是模板函数，有两个重载：

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//unspecified policy (1)    
template <class Fn, class... Args>
  future<typename result_of<Fn(Args...)>::type>
    async(Fn&& fn, Args&&... args);
//specific policy (2)  
template <class Fn, class... Args>
  future<typename result_of<Fn(Args...)>::type>
    async(launch policy, Fn&& fn, Args&&... args);

这两个重载的区别是有没有指定launch，也就是启动策略。启动策略有三种：

启动策略 描述
launch::async 启动一个新的线程来调用fn
launch::deferred 延迟启动，直到future调用了get或者wait
launch::async or launch::deferred 自动选择，取决于操作系统

下面是async的例子：

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// async example
#include <iostream>       // std::cout
#include <future>         // std::async, std::future

// a non-optimized way of checking for prime numbers:
bool is_prime (int x) {
  std::cout << "Calculating. Please, wait...\n";
  for (int i=2; i<x; ++i) if (x%i==0) return false;
  return true;
}

int main ()
{
  // call is_prime(313222313) asynchronously:
  std::future<bool> fut = std::async (is_prime,313222313);

  std::cout << "Checking whether 313222313 is prime.\n";
  // ...

  bool ret = fut.get();      // waits for is_prime to return

  if (ret) std::cout << "It is prime!\n";
  else std::cout << "It is not prime.\n";

  return 0;
}

上面的代码先利用async返回了future，同时也启动了任务，而fut通过调用get被阻塞，直到任务执行完毕得到返回值。因此，在使用async之后，实际上任务就启动了，只不过启动策略有延迟和不延迟的区别。

输出(前两行可能会错乱)：

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Checking whether 313222313 is prime.
Calculating. Please, wait...
It is prime!

其他枚举类型

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enum class future_errc;
enum class future_status;
enum class launch;

std::future_errc

枚举值 描述
broken_promise 与该future共享状态相关联的promise对象在设置值或者异常之前一被销毁
future_already_retrieved 与该std::future对象相关联的共享状态的值已经被当前provider获取了，即调用了std::future::get函数
promise_already_satisfied std::promise对象已经对共享状态设置了某一值或者异常
no_state 无共享状态。

std::future_status

用于wait_for和wait_until的返回值

枚举值 描述
future_status::ready wait_for(或wait_until)因为共享状态的标志变为ready而返回
future_status::timeout wait_for(或wait_until)因为超时而返回
future_status::deferred 共享状态包含了deferred函数。

std::launch

用于指示启动策略，就像之前的async中使用的一样。

枚举值 描述
launch::async 启动一个新的线程来调用fn
launch::deferred 延迟启动，直到future调用了get或者wait 
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// async example
#include <iostream>       // std::cout
#include <future>         // std::async, std::future

// a non-optimized way of checking for prime numbers:
bool is_prime (int x) {
  std::cout << "Calculating. Please, wait...\n";
  for (int i=2; i<x; ++i) if (x%i==0) return false;
  return true;
}

int main ()
{
  // call is_prime(313222313) asynchronously:
  std::future<bool> fut = std::async (std::launch::deferred,is_prime,313222313);

  std::cout << "Checking whether 313222313 is prime.\n";
  // ...

  bool ret = fut.get();      // waits for is_prime to return

  if (ret) std::cout << "It is prime!\n";
  else std::cout << "It is not prime.\n";

  return 0;
}

这段代码和之前的示例只有一个不同，就是使用了延迟启动策略，但是这个保证了他的输出一定是：

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Checking whether 313222313 is prime.
Calculating. Please, wait...
It is prime!

而不会出现错乱。

到现在，我们就对c++11多线程有了大致的了解了，如何熟练使用还需要在日后的工作中多加练习。很多时候一件事情可以用多个方法实现，看自己的策略。