C++ 标准库 async、future、shared_future、promise、packaged_task、thread

原文链接：细说启动线程：async、future、shared_future、promise、packaged_task、thread

• 上图是线程创建的相关接口：
  • ①底层接口thread让我们可以启动线程。为了“返回数据”，我们需要可共享的变量（global或static变量，或是以实参传递的变量）。为了“返回异常”，可利用类型std::exception_ptr（它被std::current_exception()返回并可被std::rethrow_exception()处理）
  • ②Shared state的概念使我们可以能够以一种较便捷的方法处理返回值或异常。搭配底层接口锁提供的promise我们可以建立一个shared state然后通过一个future来处理它
  • ③在高级层面，packaged_task或async()会自动建立一个shared state，它会因为一个return语句或一个未被捕获的异常而设置妥
  • ④packaged_task允许我们建立一个“带着shared state”的object，但我们必须明确写出何时启动该线程
  • ⑤若使用std::async()，我们无须关心何时真正启动。我们唯一确知的是当需要结果时就调用get()
• Shared State
  • shared state允许“启动及控制后台机能”的object（一个promise、packaged task或async()）能够和“处理其结果”的object相互沟通
  • 因此，shared state必须能够持有被启动之目标函数以及某些状态和结果（一个返回值/一个异常）
  • Shared state如果持有其函数运行结果，我们说它是ready（也就是返回值或异常已备妥待取）。Shared state通常被实现为一个reference-counted object——当它被最后一个使用者释放时即被销毁

一、细说async()

 

• 一般而言，std::async()是个辅助函数，用来在分离线程中启动某个函数。因此，如果底层平台支持多线程，你可以让函数并发运行；如果底层不支持多线程，也没有任何损失
• 然而async()的行为比较复杂，且高度取决于launch（发射）策略，后者可作为第一实参
• 下面是async()的三种标准使用方法：

• 将发射策略std::launch::async|std::launch::deferred传递给async()，其结果和不传递任何发射策略是一样的。发射策略设为0会导致不可预期的行为

二、细说future

• future<>用来表示某一操作的成员，成果可能是返回值或是异常。future<>可以绑定于std::saync()、或一个std::packaged_task或一个promise上
• future<>支持的操作如下：

• 调用future<>.get()，那么future<>绑定的成果只能被获取一次。get()的返回值取决于future<>的特化类型：
  • 如果它是void，get()获得的就是void
  • 如果future的template参数是个reference类型，get()返回一个reference指向返回值
  • 否则get()返回返回值的一份copy，或是对返回值进行move assign操作
• 通过调用get()获取结果之后，future<>就处于无效状态，面对无效状态的future，调用其析构函数、move assignment操作符或valid()以外的任何操作，都会导致不可预期的行为。这种情况下C++标准推荐（但不强制）抛出一个future_error异常并带有差错码std::future_error::no_state
• future不提供copy构造函数或copy赋值运算符，确保绝不会有两个object共享某一个后台操作的状态。将“某个future状态搬移至另一个”的唯一办法是：调用move构造函数或move赋值运算符
• 如果调用析构函数的那个future是某一shared state的最后拥有者，而相关的task已启动但尚未结束，析构函数会阻塞，直到任务结束
• 使用shared_future可以领后台任务的状态被共享（见下）

三、细说shared_future

• shared_future提供的语义的接口与future相同。但是其与future有以下的差异：
  • ①允许多次调用get()
  • ②支持copy语义
  • ③get()是个const成员函数，返回一个const reference指向“shared state”中的值。但是future的get()返回的是non-const，返回一个move assigned拷贝
  • ④不提供share()
• 因为sharef_future<>.get()返回的都是引用，因此有两点需要注意：
  • ①确保在访问的时候，访问的数据的生命周期没有结束
  • ②data race（数据竞争）
• 例如下面的代码：
  • 一个线程获取async()的结果，如果有异常，那么捕获该异常并且改动该异常
  • 如果另一个线程正在处理这个异常，上述代码会导致data race。为了解决这个问题，建议使用current_exception()和rethrow_exception()，它们被内部用来在线程之间传递异常、建立异常拷贝。然而拷贝使成本变高

四、细说std::promise

• promise，其对象用来临时持有一个值或一个异常
• 一般而言，promise可持有一个shared state，一旦shared state持有了一个值或一个异常，那么就说它是ready
• 下图列出了promise所支持的所有操作：

• get_future()的注意事项：
  • get_future()只能被调用一次，第二次调用会抛出std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::future_already_retrieved
  • 如果没有响应的shared state，则该调用会抛出std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::no_state
  • 所有用来设定数值或异常的成员函数都是线程安全的

五、细说std::packaged_task

• packaged_task被用来同时持有目标函数及其“成果”。“成果”也许是个返回值或是目标函数所触发的异常。你可以拿相应的目标函数来初始化packaged task，而后通过packaged task实施operator()调用该目标函数。最后，你可以对此packaged task取一个future以便处理器结果

• 下面是packaged_task的操作函数：

• task函数与get_future()的相关注意事项：
  • 如果调用task函数或调用get_future()却没有可用状态，会抛出std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::no_state
  • get_future()只能调用一次，如果第二次调用会抛出std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::future_already_retrieved
  • task函数只能调用一次，第二次调用task会抛出std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::promise_already_satisfied
• 析构函数和reset()会抛弃shared state，意思是packaged task会释放shared state，并且如果shared state尚未被ready就令它变成ready，然后将一个std::future_error异常并带有差错码std::future_errc::broken_promise存储起来当做成果

• make_ready_at_thread_exit()函数用来确保在task的成果被处理之前，终结该task的线程的局部对象和其他材料会先被妥善清理

六、细说std::thread

• thread，其对象用来启动和表现线程
• 下图列出了thread的操作函数：

• 如果thread object关联至某个线程，它就是所谓joinable（可连接的）此情况下调用joinable(*)会获得true，调用get_id()可以获得thread ID
• 线程ID相关注意事项：
  • 线程ID的数据类型为std::thread::id
  • 我们可以对thread ID执行的操作是：进行比较，或者将其写到一个output stream中。此外不支持其他操作
  • 有个hash函数用来在非定序（unordered）容器中管理thread ID

• detached thread不应该访问生命周期已经结束的object
• thread还提供了一个static成员函数（如下图所示），用来查询并行线程可能的数量。注意事项如下：
  • 返回可能的线程的数量
  • 该数量只是个参考值，不保证准确
  • 如果数量不可计算或不明确，返回值为0