UNIX(多线程)：19---Future 类型详解
Future 类型详解
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 详解
std::future 概述
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 = 2; i < x; ++i)
if (x % i == 0)
return false;
return true;
}
int main()
{
// call function asynchronously:
std::future < bool > fut = std::async(is_prime, 444444443);
// do something while waiting for function to set future:
std::cout << "checking, please wait";
std::chrono::milliseconds span(100);
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 0;
}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++ 新特性）。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 10; }
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()*2 << '\n';
return 0;
}
std::future::get()
std::future::get 一共有三种形式，如下表所示：
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 0;
}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 11; }
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 0;
}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
#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 = 2; i < x; ++i)
if (x % i == 0)
return false;
return true;
}
int main()
{
// call function asynchronously:
std::future < bool > fut = std::async(do_check_prime, 194232491);
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 0;
}执行结果如下：
concurrency ) ./Future-wait
Checking...
194232491 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_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。 |
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 = 2; i < x; ++i)
if (x % i == 0)
return false;
return true;
}
int main()
{
// call function asynchronously:
std::future < bool > fut = std::async(do_check_prime, 194232491);
std::cout << "Checking...\n";
std::chrono::mi lliseconds span(1000); // 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 0;
}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_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。 |
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。）
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