C++ 中 async、packaged_task、promise 区别及使用

Introduction

编程难，多线程编程更难 – 鲁迅

多线程编程，如此令人着迷、令人痛恨的字眼。人类为了追求更好的效率、更快的速度，非常残忍的发明了多线程编程，这不仅让写代码的难度陡增，同时也加快了头发掉落的速度，写到这时，我不禁感觉头上又凉了一些。

最近，我一脚踏进了 C++ 多线程编程的海洋中，在各种 std::thread、std::condition_variable、std::mutux、std::unique_lock、std::async 等等中挣扎徘徊。并且，同事告诉我，这些小玩意只能算是餐前开胃菜，后面还有更棒棒的东西在等我，比如内存模型、无锁编程等等。听到着，我紧张地打开我的保温杯，多抓了一把枸杞放了进去。

饭要一点一点的吃，知识要一点一点的学。在学习过程中，我对 async、packated_task、promise 这仨的区别、以及应该在什么场景使用它们，都相当的困惑。在查阅了一些资料后，我按照个人理解总结了这篇文章。希望能够帮助到一些和我有一样疑问的小朋友们。当然，作为一名菜鸡，文章不可以避免会出现错误，也希望各位大佬指正。

使用方法

std::async、std::packaged_task 和 std::promise 们都被安排在 《C++ Concurrency In Action》的 4.2 章，它们都能拿到一个 std::future。这些相似的地方是最初让我困惑地方，它们似乎有所区别，但是一开口却又具体说不上来。

我们先回顾下 std::async、std::packaged_task 和 std::promise 的基本使用。首先从最直观的使用方式上来感受它们的差别。

std::async

当不着急要任务结果的时候，可以使用 std::async 启动一个异步任务，std::async 返回一个 std::future 对象，std::future 对象中存放着最终计算的结果。
一切都这么简单，这是获取 std::future 最简洁的方式。

当需要最终结果时，调用 std::future::get() 方法即可，该方法会阻塞线程直到期望值状态就绪为止。下面的代码是个简单例子：

#include 
#include 
int find_the_answer_to_ltuae();
void do_other_stuff();
int main()
{
    std::future the_answer=std::async(find_the_answer_to_ltuae);
    do_other_stuff();
    std::cout<<"The answer is "<

std::async 并不总会开启新的线程来执行任务，你可以指定 std::launch::async 来强制开启新线程

auto f = std::async(std::launch::async, func);

值得注意的是，std::future 析构函数会阻塞，直到线程结束。通常我们认为 std::future::get() 和 std::future::wait() 才会阻塞，析构函数同样也会，这一点需要特别小心。

auto sleep = [](int s) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(s)); };
{
    auto f = std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 开启一个异步任务，睡眠 5s
    // future 对象析构，等待睡眠结束
}

如果 std::future 被存放在一个临时对象中，那么std::async会立马阻塞，因为临时对象在返回后立马被析构了。例如下面的代码中将会阻塞 10s，但是如果加上 auto f = 那么只会阻塞 5s

auto sleep = [](int s) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(s)); };

{
    std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 临时对象被析构，阻塞 5s
    std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 临时对象被析构，阻塞 5s
    
    //auto f1 = std::async( std::launch::async, sleep, 5 );
    //auto f2 = std::async( std::launch::async, sleep, 5 );
}

std::packaged_task

std::packaged_task 本身和线程没啥关系，它只是一个关联了 std::future 的仿函数。看下面这个例子：

auto task = [](int i) { 
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); return i+100; 
};

std::packaged_task< int(int) > package{ task };
std::future f = package.get_future();
package(1);
std::cout << f.get() << "\n";

我们调用 package(1) 就开始执行函数，就像执行了 task(1) 一样。运行结束后，f 已经处在就绪转态，因此 .get() 并不会阻塞。

因为 std::packaged_task 是个仿函数，我们用它来创建 std::thread，并通过 std::future 来获取运行的结果，看这个例子：

std::packaged_task< int(int) > package{ task };
std::future f = package.get_future();
std::thread t { std::move(package), 5 };

std::cout << f.get() << std::endl; // 阻塞，直到线程 t 结束

t.join();

可以看到，std:packaged_task 的使用稍微麻烦一些，需要显式的调用或者传递给std::thread进行异步调用，但其具有更加灵活的控制调用方式，并且可以选择什么时间开始任务，而 std::async 则是一旦调用立马开始执行，并且直接调用 std::async()中临时变量析构的导致阻塞的坑，std::packaged_task 没有。

需要注意的是，一定过一定要在调用 f.get() 之前，执行了 std::packaged_task，否则你的程序会一直阻塞在那：

std::packaged_task task(...);
auto f = task.get_future();
std::cout << f.get() << "\n"; // oops!
task(2,3);

std::promise

std::promise 是一种非常强大的机制。例如，你可以将一个值传递给新进程，而不需要任何额外的同步操作。

auto task = [](std::future i) {
    std::cout << i.get() << std::flush; // 阻塞，直到 p.set_value() 被调用
};

std::promise p;
std::thread t{ task, p.get_future() };

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
p.set_value(5);

t.join();

自顶向下

介绍完如何使用，现在我们来思考 std::async、std::packaged_task 和 std::promise 之间的关系。总体来说，std::async 接口最简单，做的事情最多，抽象程度最高；std::packaged_task，抽象程度次之，需要额外的操作但却比较灵活；std::promise 功能最为单一，是三者中抽象程度最低的。

我们用 std::packaged_task 来实现 std::async 的功能：

std::future my_async(function task, int i)
{
    std::packaged_task package{task};
    std::future f = package.get_future();

    std::thread t(std::move(package), i);
    t.detach();
    return f;
}

int main()
{
    auto task = [](int i) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); return i+100; };

    std::future f = my_async(task, 5);
    std::cout << f.get() << std::endl;
    return 0;
}

在 0 处通过 std::packaged_task::get_future 获得一个 std::future 用于返回；1 处我们将std::packaged_task 用新线程启动，等于 std::async 中使用了 std::launch::async 参数; 在 2 处，无需等待新线程运行结束，因此直接.detach() 线程。可以看到，std::packaged_task 完全可以实现 std::async 的全部功能，并且返回的 std::future 并不会在析构的时候阻塞。

接下来我们用 std::promise 来实现 std::packaged_task。

template  class my_task;

template 
class my_task
{
    std::function fn;
    std::promise pr;             // the promise of the result
public:
    template 
    explicit my_task(Ts &&... ts) : fn(std::forward(ts)...) { }

    template 
    void operator()(Ts &&... ts)
    {
        pr.set_value(fn(std::forward(ts)...));  // fulfill the promise
    }

    std::future get_future() { return pr.get_future(); }

    // disable copy, default move
};

这个简易版的 my_task 和 std::packaged_task 使用上没啥区别，内部用了 std::promise 来获取 std::future，在 operator() 中通过 std_value() 方法来传递数据，让 std::future 处于就绪状态。

总结

通过上面的描述，你应该对如何使用，以及它们之间的层级关系有一定了解了。总结一下：

• 用 std::async 来做简单的事情，例如异步执行一个任务。但是要注意 std::future 析构阻塞的问题。
• std::packaged_task 能够很轻松的拿到 std::future，选择是否配合 std::thread 进行异步处理。同时没有析构阻塞的问题。
• std::promise 是三者中最底层的能力，可以用来同步不同线程之间的消息

C++ 中 async、packaged_task、promise 区别及使用