浅谈C++的future

news2024/10/21 16:13:18

std::future 是 C++ 标准库中的一个模板类，提供了一种机制来管理和获取异步任务的结果。它常与异步操作相关，允许你在不同线程中执行任务，并在将来（即“未来”）某个时刻获取这些任务的结果。std::future 通常和 std::async、std::promise、std::packaged_task 等其他类一起使用，用于实现异步编程。

为什么需要 `std::future`？

异步任务结果管理：
- 当你在一个新线程或异步操作中执行任务时，你希望能够在任务完成后获取它的结果。std::future 提供了一种安全的方式来获取这些结果。
- 与 thread.join() 不同，future 不会在任务运行时阻塞主线程，它允许主线程继续执行其他操作，直到任务完成。
任务完成时的同步：
- std::future 提供了阻塞和非阻塞的机制来同步任务。你可以调用 get() 来等待任务完成，也可以使用 wait_for() 或 wait_until() 来检查任务是否已经完成。
防止数据竞争：
- std::future 的机制避免了线程间的数据共享问题。它通过提供一种类型安全的、线程安全的方式，将任务的结果传递回主线程，而不需要使用锁或其他同步原语来避免数据竞争。

`std::future` 的基本用法：

std::future 是通过异步调用（如 std::async）生成的。当任务开始执行时，std::future 用于获取该任务的返回值。下面是一个简单的示例，展示了如何使用 std::future 和 std::async：

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

// 一个简单的异步任务函数
int task() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));  // 模拟耗时任务
    return 42;
}

int main() {
    // 使用 std::async 启动异步任务，并返回 future 对象
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, task);

    // 主线程可以在此期间做其他事情
    std::cout << "Doing other work in main thread...\n";

    // 阻塞等待异步任务完成，并获取结果
    int value = result.get();  // 这里阻塞直到 task() 完成并返回结果
    std::cout << "Task result: " << value << std::endl;

    return 0;
}

解释：

std::async：它启动一个异步任务（可以理解为在另一个线程中运行），并返回一个 std::future 对象。
std::future：它包含了任务的返回值。在调用 result.get() 之前，std::future 中的结果是不可用的。get() 会阻塞当前线程，直到异步任务完成并返回结果。
任务的异步执行：在调用 result.get() 之前，主线程不会被任务阻塞，可以继续执行其他操作。

`std::future` 的关键操作：

get()：
- 阻塞当前线程，直到异步任务完成，并返回任务的结果。
- 如果任务已经完成，get() 会立即返回结果。
- 只能调用一次，调用后 std::future 将不再拥有结果。
wait()：
- 阻塞当前线程，直到异步任务完成，但不会返回任务的结果。可以用于等待任务完成，但不需要立即获取结果。
wait_for(duration)：
- 阻塞一段指定的时间（duration），如果任务在这段时间内完成，则返回 std::future_status::ready，否则返回 timeout 或 deferred。
wait_until(time_point)：
- 等待直到某个时间点，如果任务在此之前完成，则返回 std::future_status::ready。

`std::future` 的典型应用场景：

异步任务的返回值：
- 当你需要在另一个线程中执行一个任务，并且希望稍后获取这个任务的返回值，std::future 就是最好的选择。例如在下载文件、计算密集型任务等场景中，可以在后台线程执行任务，主线程继续其他操作，任务完成时再获取结果。
并行计算：
- 你可以使用多个 std::future 来并行运行多个任务，并在所有任务完成后再获取所有的结果。
异步回调替代：
- 传统的异步编程通常使用回调函数来处理任务的完成状态，但 std::future 提供了一种更加简洁和清晰的方式来管理异步任务，避免了回调地狱的问题。

为什么要有 `std::future` 这种属性的存在？

简化异步编程：
- std::future 使得异步编程更加简洁直观，你可以像处理普通返回值一样处理异步任务的结果，而不必编写复杂的同步代码。
避免共享数据竞争：
- std::future 提供了一种无需锁定和同步机制的安全方式来在线程间传递数据，避免了传统多线程编程中的数据竞争问题。
灵活的任务管理：
- 通过 wait()、wait_for() 等方法，std::future 允许你灵活控制任务的执行和结果获取方式。例如，你可以选择阻塞等待任务，或者选择轮询任务状态以避免阻塞。