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深入了解C++11中promise和future的使用

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Promise和Future

原理

C++11中promise和future机制是用于并发编程的一种解决方案,用于在不同线程完成数据传递(异步操作)。

传统方式通过回调函数处理异步返回的结果,导致代码逻辑分散且难以维护。

Promise和Future是一种提供访问异步操作结果的机制,可以在线程之间传递数据和异常消息。

应用场景:顾客在一家奶茶店点了单,服务员给顾客一个单号,当奶茶做好后,服务员更新排号的状态,顾客可以去做自己的事情了,顾客可以通过查询排号来得知奶茶是否做好,当查到奶茶做好了就可以回来取奶茶了。

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

void WaitForMilkTea(future<int>& future)
{
	/*其中获取future结果有三种方式
	 1、auto value = future.get()    get()方法会阻塞等待异步操作结束并返回结果
	 2、std::future_status  方式判断状态 有deferred、timeout、ready三种状态
	 3、可以
	*/

//future_status方法
#if 0
	std::future_status status;
	do {
		status = future.wait_for(std::chrono::milliseconds(500));
		if (status == std::future_status::deferred) {
			std::cout << "deferred!!!" << std::endl; //异步操作还没开始
		} else if (status == std::future_status::timeout) {
			std::cout << "timeout!!!" << std::endl; //异步操作超时
		} else if (status == std::future_status::ready) {
			std::cout << "ready!!!" << std::endl; //异步操作已经完成
		}
	} while (status != std::future_status::ready);
     
	//通过判断future_status状态为ready时才通过get()获取值
	auto notice = future.get();
	std::cout << "WaitForMilkTea receive value:" << notice << std::endl;
#endif

//get()方法
#if 0
	auto notice = future.get();   //get阻塞等待直到异步处理结束返回值
	std::cout << "WaitForMilkTea receive value:" << notice << std::endl;
#endif

//wait()方法
	future.wait(); //和get()区别是wait只等待异步操作完成,没有返回值
	auto notice = future.get();
	std::cout << "WaitForMilkTea receive value:" << notice << std::endl;
}

void MakeTea(promise<int>& promise)
{
	//do something 这里先睡眠5s
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
	promise.set_value(1);
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10));
	std::cout << "MakeTea Thread quit!!!" << std::endl;
}

int main()
{
	promise<int> pNotice;
	//获取与promise相关联的future
	future<int> pFuture = pNotice.get_future();

	thread Customer(WaitForMilkTea, ref(pFuture));
	thread Worker(MakeTea, ref(pNotice));

	Customer.join();
	Worker.join();
}

其中future_status枚举如下:

名称示意
ready0就绪
timeout1等待超时
deferred2延迟执行(与std::async配合使用)

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

名称示意
broken_promise0与其关联的 std::promise 生命周期提前结束
future_already_retrieved1重复调用 get() 函数
promise_already_satisfied2与其关联的 std::promise 重复 set
no_state4无共享状态

Promise和Future模型

流程如下:

1.线程1初始化一个promise和future对象,将promise对象传递给线程2,相当于线程2对线程1的一个承诺

2.future相当于一个承诺,用于获取未来线程2的值

3.线程2接受一个promise,需要将处理结果通过promise返回给线程1

4.线程1想要获取数据,此时线程2还未返回promise就阻塞等待处,直到线程2的数据可达

promise相关函数

std::future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。

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

总结:std::future负责访问,std::promise负责存储,同时promise是future的管理者

std::future

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(类型由模板类型决定)
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。建议使用前加上valid()判断
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

1、普通构造函数, 默认无参构造函数

2、带自定义内存分配器的构造函数,与默认构造函数类似,但是使用自定义分配器来分配共享状态。

3、拷贝构造函数和普通=赋值运算符默认禁止

4、移动构造函数

5、移动赋值运算符

std::promise

成员函数:

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()获取与其管理的std::future
set_value()设置共享状态值,此后promise共享状态标识变为ready
set_value_at_thread_exit()设置共享状态的值,但是不将共享状态的标志设置为 ready,当线程退出时该 promise 对象会自动设置为 ready
set_exception()设置异常,此后promise的共享状态标识变为ready
set_exception_at_thread_exit()设置异常,但是到该线程结束时才会发出通知

1、std::promise::get_future:返回一个与promise共享状态相关联的future对象

2、std::promise::set_value:设置共享状态的值,此后promise共享状态标识变为ready

3、std::promise::set_exception:为promise设置异常,此后promise的共享状态标识变为ready

4、std::promise::set_value_at_thread_exit:设置共享状态的值,但是不将共享状态的标志设置为 ready,当线程退出时该 promise 对象会自动设置为 ready(注意:该线程已设置promise的值,如果在线程结束之后有其他修改共享状态值的操作,会抛出future_error(promise_already_satisfied)异常)

5、std::promise::swap:交换 promise 的共享状态

多线程std::shared_future

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 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:

它的语法是:

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

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

void futureHandleEntry(std::shared_future<int>& future) 
{
	if (future.valid()) {
		future.wait();
		std::cout << "thread:[" << std::this_thread::get_id() << "] value=" << future.get() << std::endl;
		std::cout << "thread:[" << std::this_thread::get_id() << "] quit!!!" << std::endl;
	}
	else {
		std::cout << "future is invalid!!!" << std::endl;
	}
}

int main()
{
    std::promise<int> promise;
	//获取shared_future用于多线程访问异步操作结果
	std::shared_future<int> future = promise.get_future();

	std::thread t1(&futureHandleEntry, ref(future));
	std::thread t2(&futureHandleEntry, ref(future));
	std::thread t3(&futureHandleEntry, ref(future));

	std::cout << "main thread running!!!" << std::endl;
	//主线程sleep5s后去set_value
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
	promise.set_value(10);

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

promise和future进阶

我们知道异常的场景:

1、当重复调用promise的set_value会导致抛出异常

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <chrono>

using namespace std;

void threadEntry(std::future<int>& future)
{
	try {
		auto value = future.get();
		std::cout << "value=" << value << std::endl;
	}
	catch (std::future_error& error) {
		std::cerr << error.code() << "\n" << error.what() << std::endl;
	}
}
int main()
{
	std::promise<int> promise;
	std::future<int> future = promise.get_future();

	std::thread t1(threadEntry, ref(future));
	/*主线程promise多次调用set_value会抛出future_error异常
	*/
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
	promise.set_value(1); 
	promise.set_value(1);

	t1.join();
}

在linux中运行结果如下: 会有Promise already satisfied的错误提示

2、 当std::promise不设置值时线程就退出

如果promise直到销毁时,都未设置过任何值,则promise会在析构时自动设置为std::future_error,这会造成std::future.get抛出std::future_error异常。

#include <iostream> // std::cout, std::endl
#include <thread>   // std::thread
#include <future>   // std::promise, std::future
#include <chrono>   // seconds
using namespace std::chrono;

void read(std::future<int> future) {
    try {
        future.get();
    } catch(std::future_error &e) {
        std::cerr << e.code() << "\n" << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread thread;
    {
        // 如果promise不设置任何值
        // 则在promise析构时会自动设置为future_error
        // 这会造成future.get抛出该异常
        std::promise<int> promise;
        thread = std::thread(read, promise.get_future());
   }
    thread.join();

    return 0;
}

3、通过std::promise让std::future抛出异常

通过std::promise.set_exception函数可以设置自定义异常,该异常最终会被传递到std::future,并在其get函数中被抛出。

#include <iostream>
 #include <future>
 #include <thread>
 #include <exception>  // std::make_exception_ptr
 #include <stdexcept>  // std::logic_error
 
void catch_error(std::future<void> &future) {
    try {
       future.get();
    } catch (std::logic_error &e) {
       std::cerr << "logic_error: " << e.what() << std::endl;
   }
}

int main() {
    std::promise<void> promise;
    std::future<void> future = promise.get_future();

    std::thread thread(catch_error, std::ref(future));
    // 自定义异常需要使用make_exception_ptr转换一下
    promise.set_exception(
       std::make_exception_ptr(std::logic_error("caught")));

      thread.join();
     return 0;
}

std::promise虽然支持自定义异常,但它并不直接接受异常对象:

// std::promise::set_exception函数原型
2void set_exception(std::exception_ptr p);

自定义异常可以通过位于头文件exception下的std::make_exception_ptr函数转化为std::exception_ptr

std::promise

通过上面的例子,我们看到std::promise<void>

是合法的。此时std::promise.set_value不接受任何参数,仅用于通知关联的std::future.get()解除阻塞。

std::promise所在线程退出时

std::async(异步运行)时,开发人员有时会对std::promise所在线程退出时间比较关注。std::promise支持定制线程退出时的行为:

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