C++11 并发指南四( 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）。
// 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 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 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（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 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（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 = 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_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 = 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::milliseconds 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_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> |
|---|---|
| specific policy (2) | template <class Fn, class... Args> future<typename result_of<Fn(Args...)>::type> |
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 = 0; for (int i = 0; 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, 100000000)); #if 0 while(f.wait_until(std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(1)) != std::future_status::ready) { std::cout << "task is running...\n"; } #else while(f.wait_for(std::chrono::seconds(1)) != 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 = 0; i < 10; ++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, '*', 100); std::future < void >bar = std::async(std::launch::async, do_print_ten, '@', 200); // 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, '*', 100); bar = std::async(std::launch::deferred, do_print_ten, '@', 200); // deferred "get" (perform the actual calls): foo.get(); bar.get(); std::cout << '\n'; return 0; }
在我的机器上执行结果：
with launch::async: *@**@**@**@**@*@@@@@ with launch::deferred: **********@@@@@@@@@@