C++11 并发指南四(<future> 详解三 std::future & std::shared_future)

上一讲《C++11 并发指南四(<future> 详解二 std::packaged_task 介绍)》主要介绍了 <future> 头文件中的 std::packaged_task 类，本文主要介绍 std::future，std::shared_future 以及 std::future_error，另外还会介绍 <future> 头文件中的 std::async，std::future_category 函数以及相关枚举类型。

std::future 介绍

前面已经多次提到过 std::future，那么 std::future 究竟是什么呢？简单地说，std::future 可以用来获取异步任务的结果，因此可以把它当成一种简单的线程间同步的手段。std::future 通常由某个 Provider 创建，你可以把 Provider 想象成一个异步任务的提供者，Provider 在某个线程中设置共享状态的值，与该共享状态相关联的 std::future 对象调用 get（通常在另外一个线程中） 获取该值，如果共享状态的标志不为 ready，则调用 std::future::get 会阻塞当前的调用者，直到 Provider 设置了共享状态的值（此时共享状态的标志变为 ready），std::future::get 返回异步任务的值或异常（如果发生了异常）。

一个有效(valid)的 std::future 对象通常由以下三种 Provider 创建，并和某个共享状态相关联。Provider 可以是函数或者类，其实我们前面都已经提到了，他们分别是：

• std::async 函数，本文后面会介绍 std::async() 函数。
• std::promise::get_future，get_future 为 promise 类的成员函数，详见 C++11 并发指南四(<future> 详解一 std::promise 介绍)。
• std::packaged_task::get_future，此时 get_future为 packaged_task 的成员函数，详见C++11 并发指南四(<future> 详解二 std::packaged_task 介绍)。

一个 std::future 对象只有在有效(valid)的情况下才有用(useful)，由 std::future 默认构造函数创建的 future 对象不是有效的（除非当前非有效的 future 对象被 move 赋值另一个有效的 future 对象）。

在一个有效的 future 对象上调用 get 会阻塞当前的调用者，直到 Provider 设置了共享状态的值或异常（此时共享状态的标志变为 ready），std::future::get 将返回异步任务的值或异常（如果发生了异常）。

下面以一个简单的例子说明上面一段文字吧（参考）：

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

// a non-optimized way of checking for prime numbers:
bool
is_prime(int x)
{
    for (int i = ; i < x; ++i)
        if (x % i == )
            return false;
    return true;
}

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

    // do something while waiting for function to set future:
    std::cout << "checking, please wait";
    std::chrono::milliseconds span();
    while (fut.wait_for(span) == std::future_status::timeout)
        std::cout << '.';

    bool x = fut.get();         // retrieve return value

    std::cout << "\n444444443 " << (x ? "is" : "is not") << " prime.\n";

    return ;
}

std::future 成员函数

std::future 构造函数

std::future 一般由 std::async, std::promise::get_future, std::packaged_task::get_future 创建，不过也提供了构造函数，如下表所示：

default (1)	future() noexcept;
copy [deleted] (2)	future (const future&) = delete;
move (3)	future (future&& x) noexcept;

不过 std::future 的拷贝构造函数是被禁用的，只提供了默认的构造函数和 move 构造函数（注：C++ 新特新）。另外，std::future 的普通赋值操作也被禁用，只提供了 move 赋值操作。如下代码所示：

 std::future<int> fut;           // 默认构造函数
  fut = std::async(do_some_task);   // move-赋值操作。

std::future::share()

返回一个 std::shared_future 对象（本文后续内容将介绍 std::shared_future ），调用该函数之后，该 std::future 对象本身已经不和任何共享状态相关联，因此该 std::future 的状态不再是 valid 的了。

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

int do_get_value() { return ; }

int main ()
{
    std::future<int> fut = std::async(do_get_value);
    std::shared_future<int> shared_fut = fut.share();

    // 共享的 future 对象可以被多次访问.
    std::cout << "value: " << shared_fut.get() << '\n';
    std::cout << "its double: " << shared_fut.get()* << '\n';

    return ;
}

std::future::get()

std::future::get 一共有三种形式，如下表所示（参考）：

generic template (1)	T get();
reference specialization (2)	R& future<R&>::get(); // when T is a reference type (R&)
void specialization (3)	void future<void>::get(); // when T is void

当与该 std::future 对象相关联的共享状态标志变为 ready 后，调用该函数将返回保存在共享状态中的值，如果共享状态的标志不为 ready，则调用该函数会阻塞当前的调用者，而此后一旦共享状态的标志变为 ready，get 返回 Provider 所设置的共享状态的值或者异常（如果抛出了异常）。

请看下面的程序：

#include <iostream>       // std::cin, std::cout, std::ios
#include <functional>     // std::ref
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future
#include <exception>      // std::exception, std::current_exception

void get_int(std::promise<int>& prom) {
    int x;
    std::cout << "Please, enter an integer value: ";
    std::cin.exceptions (std::ios::failbit);   // throw on failbit
    try {
        std::cin >> x;                         // sets failbit if input is not int
        prom.set_value(x);
    } catch (std::exception&) {
        prom.set_exception(std::current_exception());
    }
}

void print_int(std::future<int>& fut) {
    try {
        int x = fut.get();
        std::cout << "value: " << x << '\n';
    } catch (std::exception& e) {
        std::cout << "[exception caught: " << e.what() << "]\n";
    }
}

int main ()
{
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();

    std::thread th1(get_int, std::ref(prom));
    std::thread th2(print_int, std::ref(fut));

    th1.join();
    th2.join();
    return ;
}

std::future::valid()

检查当前的 std::future 对象是否有效，即释放与某个共享状态相关联。一个有效的 std::future 对象只能通过 std::async(), std::future::get_future 或者 std::packaged_task::get_future 来初始化。另外由 std::future 默认构造函数创建的 std::future 对象是无效(invalid)的，当然通过 std::future 的 move 赋值后该 std::future 对象也可以变为 valid。

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

int do_get_value() { return ; }

int main ()
{
    // 由默认构造函数创建的 std::future 对象,
    // 初始化时该 std::future 对象处于为 invalid 状态.
    std::future<int> foo, bar;
    foo = std::async(do_get_value); // move 赋值, foo 变为 valid.
    bar = std::move(foo); // move 赋值, bar 变为 valid, 而 move 赋值以后 foo 变为 invalid.

    if (foo.valid())
        std::cout << "foo's value: " << foo.get() << '\n';
    else
        std::cout << "foo is not valid\n";

    if (bar.valid())
        std::cout << "bar's value: " << bar.get() << '\n';
    else
        std::cout << "bar is not valid\n";

    return ;
}

std::future::wait()

等待与当前std::future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready.

如果共享状态的标志不是 ready（此时 Provider 没有在共享状态上设置值（或者异常）），调用该函数会被阻塞当前线程，直到共享状态的标志变为 ready。
一旦共享状态的标志变为 ready，wait() 函数返回，当前线程被解除阻塞，但是 wait() 并不读取共享状态的值或者异常。下面的代码说明了 std::future::wait() 的用法（参考）

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

// a non-optimized way of checking for prime numbers:
bool do_check_prime(int x) // 为了体现效果, 该函数故意没有优化.
{
    for (int i = ; i < x; ++i)
        if (x % i == )
            return false;
    return true;
}

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

    std::cout << "Checking...\n";
    fut.wait();

    std::cout << "\n194232491 ";
    if (fut.get()) // guaranteed to be ready (and not block) after wait returns
        std::cout << "is prime.\n";
    else
        std::cout << "is not prime.\n";

    return ;
}

执行结果如下：

concurrency ) ./Future-wait
Checking...

 is prime.
concurrency ) 

std::future::wait_for()

与 std::future::wait() 的功能类似，即等待与该 std::future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready，该函数原型如下：

template <class Rep, class Period>
  future_status wait_for (const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time) const;

而与 std::future::wait() 不同的是，wait_for() 可以设置一个时间段 rel_time，如果共享状态的标志在该时间段结束之前没有被 Provider 设置为 ready，则调用 wait_for 的线程被阻塞，在等待了 rel_time 的时间长度后 wait_until() 返回，返回值如下：

返回值	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。

请看下面的例子：

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

// a non-optimized way of checking for prime numbers:
bool do_check_prime(int x) // 为了体现效果, 该函数故意没有优化.
{
    for (int i = ; i < x; ++i)
        if (x % i == )
            return false;
    return true;
}

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

    std::cout << "Checking...\n";
    std::chrono::milliseconds span(); // 设置超时间隔.

    // 如果超时，则输出"."，继续等待
    while (fut.wait_for(span) == std::future_status::timeout)
        std::cout << '.';

    std::cout << "\n194232491 ";
    if (fut.get()) // guaranteed to be ready (and not block) after wait returns
        std::cout << "is prime.\n";
    else
        std::cout << "is not prime.\n";

    return ;
}

std::future::wait_until()

与 std::future::wait() 的功能类似，即等待与该 std::future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready，该函数原型如下：

template <class Rep, class Period>
  future_status wait_until (const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time) const;

而 与 std::future::wait() 不同的是，wait_until() 可以设置一个系统绝对时间点 abs_time，如果共享状态的标志在该时间点到来之前没有被 Provider 设置为 ready，则调用 wait_until 的线程被阻塞，在 abs_time 这一时刻到来之后 wait_for() 返回，返回值如下：

返回值	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。

std::shared_future 介绍

std::shared_future 与 std::future 类似，但是 std::shared_future 可以拷贝、多个 std::shared_future 可以共享某个共享状态的最终结果(即共享状态的某个值或者异常)。shared_future 可以通过某个 std::future 对象隐式转换（参见 std::shared_future 的构造函数），或者通过 std::future::share() 显示转换，无论哪种转换，被转换的那个 std::future 对象都会变为 not-valid.

std::shared_future 构造函数

std::shared_future 共有四种构造函数，如下表所示：

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<T>&& x) noexcept;

最后 move from future(4) 即从一个有效的 std::future 对象构造一个 std::shared_future，构造之后 std::future 对象 x 变为无效(not-valid)。

std::shared_future 其他成员函数

std::shared_future 的成员函数和 std::future 大部分相同，如下（每个成员函数都给出了连接）：

operator=

赋值操作符，与 std::future 的赋值操作不同，std::shared_future 除了支持 move 赋值操作外，还支持普通的赋值操作。

get

获取与该 std::shared_future 对象相关联的共享状态的值（或者异常）。

valid

有效性检查。

wait

等待与该 std::shared_future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready。

wait_for

等待与该 std::shared_future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready。（等待一段时间，超过该时间段wait_for 返回。）

wait_until

等待与该 std::shared_future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready。（在某一时刻前等待，超过该时刻 wait_until 返回。）

std::future_error 介绍

class future_error : public logic_error;

std::future_error 继承子 C++ 标准异常体系中的 logic_error，有关 C++ 异常的继承体系，请参考相关的C++教程 ;-)。

其他与 std::future 相关的函数介绍

与 std::future 相关的函数主要是 std::async()，原型如下：

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);

上面两组 std::async() 的不同之处是第一类 std::async 没有指定异步任务（即执行某一函数）的启动策略(launch policy)，而第二类函数指定了启动策略，详见 std::launch 枚举类型，指定启动策略的函数的 policy 参数可以是launch::async，launch::deferred，以及两者的按位或( | )。

std::async() 的 fn 和 args 参数用来指定异步任务及其参数。另外，std::async() 返回一个 std::future 对象，通过该对象可以获取异步任务的值或异常（如果异步任务抛出了异常）。

下面介绍一下 std::async 的用法。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <cmath>
#include <chrono>
#include <future>
#include <iostream>

double ThreadTask(int n) {
    std::cout << std::this_thread::get_id()
        << " start computing..." << std::endl;

    double ret = ;
    for (int i = ; i <= n; i++) {
        ret += std::sin(i);
    }

    std::cout << std::this_thread::get_id()
        << " finished computing..." << std::endl;
    return ret;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    std::future<double> f(std::async(std::launch::async, ThreadTask, ));

#if 0
    while(f.wait_until(std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds())
            != std::future_status::ready) {
        std::cout << "task is running...\n";
    }
#else
    while(f.wait_for(std::chrono::seconds())
            != std::future_status::ready) {
        std::cout << "task is running...\n";
    }
#endif

    std::cout << f.get() << std::endl;

    return EXIT_SUCCESS;
}

其他与 std::future 相关的枚举类介绍

下面介绍与 std::future 相关的枚举类型。与 std::future 相关的枚举类型包括：

enum class future_errc;

enum class future_status;

enum class launch;

下面分别介绍以上三种枚举类型：

std::future_errc 类型

std::future_errc 类型描述如下（参考）：

类型	取值	描述
broken_promise	0	与该 std::future 共享状态相关联的 std::promise 对象在设置值或者异常之前一被销毁。
future_already_retrieved	1	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	2	std::promise 对象已经对共享状态设置了某一值或者异常。
no_state	3	无共享状态。

std::future_status 类型（参考）

std::future_status 类型主要用在 std::future(或std::shared_future)中的 wait_for 和 wait_until 两个函数中的。

类型	取值	描述
future_status::ready	0	wait_for(或wait_until) 因为共享状态的标志变为 ready 而返回。
future_status::timeout	1	超时，即 wait_for(或wait_until) 因为在指定的时间段（或时刻）内共享状态的标志依然没有变为 ready 而返回。
future_status::deferred	2	共享状态包含了 deferred 函数。

std::launch 类型

该枚举类型主要是在调用 std::async 设置异步任务的启动策略的。

类型	描述
launch::async	Asynchronous: 异步任务会在另外一个线程中调用，并通过共享状态返回异步任务的结果（一般是调用 std::future::get() 获取异步任务的结果）。
launch::deferred	Deferred: 异步任务将会在共享状态被访问时调用，相当与按需调用（即延迟(deferred)调用）。

请看下例（参考）：

#include <iostream>                // std::cout
#include <future>                // std::async, std::future, std::launch
#include <chrono>                // std::chrono::milliseconds
#include <thread>                // std::this_thread::sleep_for

void
do_print_ten(char c, int ms)
{
    for (int i = ; i < ; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(ms));
        std::cout << c;
    }
}

int
main()
{
    std::cout << "with launch::async:\n";
    std::future < void >foo =
        std::async(std::launch::async, do_print_ten, '*', );
    std::future < void >bar =
        std::async(std::launch::async, do_print_ten, '@', );
    // async "get" (wait for foo and bar to be ready):
    foo.get();
    bar.get();
    std::cout << "\n\n";

    std::cout << "with launch::deferred:\n";
    foo = std::async(std::launch::deferred, do_print_ten, '*', );
    bar = std::async(std::launch::deferred, do_print_ten, '@', );
    // deferred "get" (perform the actual calls):
    foo.get();
    bar.get();
    std::cout << '\n';

    return ;
}

在我的机器上执行结果：

with launch::async:
*@**@**@**@**@*@@@@@

with launch::deferred:
**********@@@@@@@@@@