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【Example】C++ 标准库多线程同步及数据共享 (std::future 与 std::promise)

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芯片烤电池

修改于 2022-04-28 02:07:18

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阅读此文章前，务必读懂：【Example】C++ 标准库 std::thread 与 std::mutex

否则你会像听天书一样懵。(...)

在任何语言的多线程编程当中，必然涉及线程的同步及数据的共享，方式也有很多种。

C++ 标准库当中提供了同步及共享的方案：std::future 与 std::promise 。

头文件：

#include <future>

一、std::future 与 std::promise

先从最基本且最原始的形式看起，std::future 与 std::promise 是互相配合使用的。

【负责访问】std::future 是一个模板类，它提供了可供访问异步执行结果的一种方式。

【语法】【伪代码】std::future<Type> name(promise.get_future());

【负责存储】std::promise 也是一个模板类，它提供了存储异步执行的值和异常的一种方式。

【语法】【伪代码】std::promise<Type> name;

先从最简单的代码入手：

#include <thread>
#include <future>

void PromiseID(std::promise<std::thread::id> &po) {

    try
    {
        po.set_value(std::this_thread::get_id());
    }
    catch (const std::exception &e)
    {
        po.set_exception(std::current_exception());
    }
    return;
}

int main()
{
    std::promise<std::thread::id> p1;
    std::promise<std::thread::id> p2;

    std::future<std::thread::id> f1(p1.get_future());
    std::future<std::thread::id> f2(p2.get_future());

    std::thread t1(&PromiseID, ref(p1));
    std::thread t2(&PromiseID, ref(p2));

    cout << "thread id 1: " << f1.get() << endl;
    cout << "thread id 2: " << f2.get() << endl;

    t1.join();
    t2.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}

以上代码和各种在你目前看来无厘头函数展示了 Print 两个线程 ID 的操作。

首先明白，std::future 负责访问，std::promise 负责存储，同时 promise 是 future 的管理者。

进而就可以先讲简单明了的逻辑：

std::future

1，std::future 是由 std::promise 创建的 (std::async 、std::packaged_task 也可创建 future)，也是作为它的管理者。

2，std::future 也仅在创建它的 std::promise、std::async 、std::packaged_task 有效时才可用。

3，std::future 可供异步操作创建者用各种方式查询、等待、提取需要共享的值，也可以阻塞当前线程等待到异步线程提供值。

4，std::future 一个实例只能与一个异步线程相关联。多个线程则需要使用 std::shared_future。

5，std::future 的共享状态是由异步操作所使用的、且与其关联的 std::std::promise 所修改。（当然你单线程修改也行，但抬杠又有什么意义）

6，std::future 禁用了拷贝构造，但是可以进行移动(move)操作。

公共成员函数表：

名称	作用
operator=	移动 future 对象，移动！
share()	返回一个可在多个线程中共享的 std::shared_future 对象。
get()	获取值。（类型由模板类型而定）
valid()	检查 future 是否处于被使用状态，也就是它被首次在首次调用 get() 或 share() 前。
wait()	阻塞等待调用它的线程到共享值成功返回。
wait_for()	在规定时间内阻塞等待调用它的线程到共享值成功返回。
wait_until()	在指定时间节点内阻塞等待调用它的线程到共享值成功返回。

共享状态：

补充一些与 std::future 相关的枚举类型，参考自Microsoft Docs:

future_errc 枚举 : 为 future_error 类报告的所有错误提供符号名称。

名称	值	示意
broken_promise	0	与其关联的 std::promise 生命周期提前结束。
future_already_retrieved	1	重复调用 get() 函数。
promise_already_satisfied	2	与其关联的 std::promise 重复 set。
no_state	4	无共享状态。

future_status 枚举：为计时等待函数可返回的原因提供符号名称。

名称	值	示意
ready	0	就绪
timeout	1	等待超时
deferred	2	延迟执行(与std::async配合使用)

std::promise

1，std::promise 负责存储，注意 std::promise 应当只使用一次。

2，std::promise 的统一初始化构造 "(p)" 是被禁用的，同时赋值运算符 "operator=" 作用为移动，std::promise 不可拷贝，但是可以被引用。

【注：此处应额外补充 alloc 构造函数】

3，std::promise 与 std::future 的状态相关联，它负责将共享值存入并给 std::future 访问使用，值类型也有可能是void、异常，当 std::future 端的阻塞函数接收到后，会立即解除阻塞状态。

4，std::promise 在作为使用者的异步线程当中，应当注意共享变量的生命周期、是否被 set 的问题。如果没有共享值没有被 set，而异步线程却结束，future 端会抛出异常。

5，std::promise 的 set 操作函数只能被调用一次。

6，std::promise 的 get_future() 函数只能被调用一次。

7，std::promise<void> 空类型创建是可以的，任何 set 函数不接受任何形式的参数，此操作用于传递通知，通知与其关联的 std::future 端解除阻塞。

公共成员函数表：

名称	作用
operator=	从另一个 std::promise 移动到当前对象。
swap()	交换移动两个 std::promise。
get_future()	获取与它关联的 std::future。
set_value()	设置值，类型由初始化时的模板类型而定。
set_value_at_thread_exit()	设置值，但是到该线程结束时才会发出通知。
set_exception()	设置异常，类型为 exception_ptr。
set_exception_at_thread_exit()	设置异常，但是到该线程结束时才会发出通知。

一个简单的例子：

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
#include <vector>
using std::vector;
#include <algorithm>

#include <thread>
#include <future>

void GetVectorMaxToPromise(const vector<int> &vec, std::promise<int> &po) {
    try
    {
        auto it = std::max_element(vec.begin(), vec.end());
        po.set_value_at_thread_exit(*it);
    }
    catch (const std::exception&)
    {
        po.set_exception(std::current_exception());
    }
    return;
}

void PrintIntValue(std::future<int> &fu) {
    cout << "Value: " << fu.get() << endl;
    return;
}

int main()
{
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    std::promise<int> po;
    std::future<int> fu(po.get_future());

    std::thread t1(&GetVectorMaxToPromise, ref(vec), ref(po));
    std::thread t2(&PrintIntValue, ref(fu));
    
    t1.join();
    t2.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}

这个例子是一个线程获取 vector 当中的最大值并给另一个线程去 print。

在这个非常简单的例子当中可以看到通过 promise to future 做到了线程的同步与值的传递，还有异常的处理。

std::shared_future 与 std::packaged_task

std::future 有个非常明显的问题，就是只能和一个 std::promise 成对绑定使用，也就意味着仅限于两个线程之间使用。

那么多个线程是否可以呢，可以！就是 std::shared_future。

std::shared_future

它的语法是：

【语法】【伪代码】std::shared_future<Type> s_fu(pt.get_future());

std::shared_future 也是一个模板类，它的功能定位、函数接口和 std::future 一致，不同的是它允许给多个线程去使用，让多个线程去同步、共享：

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
#include <vector>
using std::vector;
#include <sstream>
#include <string>
using std::string;
#include <algorithm>

#include <thread>
#include <future>

int GetVectorMax(const vector<int>& vec) {
    return *(std::max_element(vec.begin(), vec.end()));
}

void PrintIntValueOnShared(std::shared_future<int>& s_fu) {
    s_fu.wait();
    std::stringstream ss;
    ss << std::this_thread::get_id() << " Value: " << s_fu.get();
    cout << ss.str() << endl;
    return;
}

int main()
{
    vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    std::packaged_task<int(const vector<int>&)> pt(GetVectorMax);
    std::shared_future<int> s_fu(pt.get_future());

    std::thread t1(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));
    std::thread t2(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));
    std::thread t3(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));

    Sleep(500); // Windows.h

    std::thread(ref(pt), ref(vec)).join();

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return EXIT_SUCCESS;
}

是的，你还看到了另一个奇怪的东西：std::packaged_task。(...)

std::packaged_task

std::packaged_task 的作用是包装一个可调用对象(可能是函数，也可能是lambda)去给异步线程调用，简化 promise to future 的流程。

它的语法：

【语法】【伪代码】【Callback】
std::packaged_task<Type(ArgsType, ...)> name(Callable);

【语法】【伪代码】【Lambda】
std::packaged_task<Type(ArgsType, ...)> pl([](ArgsType, ...) {
       return TypeData;
});

是的，就像 std::function 那样。只不过它是用来给异步线程调用的：

成员函数表：

名称	作用
operator=	移动 std::packaged_task 对象，移动！
valid()	检查可调用对象是否有效。
swap()	交换移动两个 std::packaged_task。
get_future()	返回具有相关联异步状态的 std::future 对象。
operator()	执行该可调用对象。
make_ready_at_thread_exit	执行该可调用对像，但是到该线程结束时才会发出通知。
reset()	重置，并清空之前的值。

将上文例子变种演示一下：

std::packaged_task<int(const vector<int>&)> pl([](const vector<int>& vec) {
    return *(std::max_element(vec.begin(), vec.end()));
});
std::shared_future<int> s_fu(pl.get_future());

if (pl.valid())
{
    std::thread t1(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));
    std::thread t2(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));
    std::thread t3(&PrintIntValueOnShared, ref(s_fu));

    Sleep(500); // Windows.h

    std::thread(ref(pl), ref(vec)).join();

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
}

使用它需要注意的事项：

1，std::packaged_task 不能被拷贝，但是可以被移动，也可以被引用。

2，std::packaged_task 可以默认无参构造，但此时没有任何作用，执行会发生异常，valid() 值为 false。

3，std::packaged_task 的 get_future() 函数只能被调用一次。

4，std::packaged_task 绑定了可调用对象并已经运行，它的共享状态会一直持续到与它关联的 std::future 或最后一个 std::shared_future 结束为止。

5，std::packaged_task 应谨慎操作，它本身的生命周期应持续到所有与它关联的 future 结束后为止。

std::async

std::async 是一个函数模板，作用是异步运行可调用对象，最终将调用结果返回到 std::future 当中。

它的语法是：

【语法】【伪代码】std::async(LaunchEnum, Callable, Args, ...);
or
【语法】【伪代码】std::async(Callable, Args, ...);

std::async的第一个枚举参数

launch 枚举: 展示描述模板函数 async 的可能模式的位掩码类型

名称	值	示意
async	0	异步调用主动
deferred	1	延迟调用被动

这两个枚举代表什么效果呢？请仔细看非常简单的例子：

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
#include <string>
using std::string;
#include <vector>
using std::vector;
#include <chrono>

#include <thread>
#include <future>

void PrintFiveStr(const string &str) {

    for (size_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        cout << str;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
    }
    return;
};

int main()
{
    vector<std::launch> launchs = {std::launch::async, std::launch::deferred};
    for (auto &launch : launchs)
    {
        std::future<void> add = std::async(launch, ref(PrintFiveStr), "+");
        std::future<void> sub = std::async(launch, ref(PrintFiveStr), "-");
        add.get();
        sub.get();
        cout << endl;
    }


    return EXIT_SUCCESS;
}

三次运行效果：

【第一次】
+--++--+-+
+++++-----

【第二次】
+-+--++--+
+++++-----

【第三次】
+-+-+-+-+-
+++++-----

是的，最直观的就是：

std::launch::async 是在 std::async 初始化所有线程局域对象后执行可调用对象。

std::launch::deferred 是在 std::async 初始化后(期间完成内部std::thread对象创建)，不执行可调用对象(内部std::thread也没有被初始化)，在 std::async 返回的 std::future 首次调用非定时等待函数后，再去执行。

这就是[异步调用主动]与[延迟调用被动]的区别。

注意的是，如果不传第一个枚举参数，那么，std::async 优先使用哪种 launch 取决于编译器的实现机制。

额外技术细节请参考 C++ Reference:

函数模板 async 异步地运行函数 f （潜在地在可能是线程池一部分的分离线程中），并返回最终将保有该函数调用结果的 std::future 。 1) 表现如同以 policy 为 std::launch::async | std::launch::deferred 调用 (2) 。换言之， f 可能执行于另一线程，或者它可能在查询产生的 std::future 的值时同步运行。 2) 按照特定的执行策略 policy ，以参数 args 调用函数 f ：
若设置 async 标志（即 (policy & std::launch::async) != 0 ），则 async 在新的执行线程（初始化所有线程局域对象后）执行可调用对象 f ，如同产出 std::thread(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...) ，除了若 f 返回值或抛出异常，则于可通过 async 返回给调用方的 std::future 访问的共享状态存储结果。
若设置 deferred 标志（即 (policy & std::launch::deferred) != 0 ），则 async 以同 std::thread 构造函数的方式转换 f 与 args... ，但不产出新的执行线程。而是进行惰性求值：在 async 所返回的 std::future 上首次调用非定时等待函数，将导致在当前线程（不必是最初调用 std::async 的线程）中，以 args... （作为右值传递）的副本调用 f （亦作为右值）的副本。将结果或异常置于关联到该 future 的共享状态，然后才令它就绪。对同一 std::future 的所有后续访问都会立即返回结果。
若 policy 中设置了 std::launch::async 和 std::launch::deferred 两个标志，则进行异步执行还是惰性求值取决于实现。
【C++ 14 开始】若 policy 中未设置 std::launch::async 或 std::launch::deferred 或任何实现定义策略标志，则行为未定义。

任何情况下，对 std::async 的调用同步于（定义于 std::memory_order ）对 f 的调用，且 f 的完成先序于令共享状态就绪。若选择 async 策略，则关联线程的完成同步于首个等待于共享状态上的函数的成功返回，或最后一个释放共享状态的函数的返回，两者的先到来者。

完工！

2022-03-19 凌晨 4:23

AirChip

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