C++11笔记-多线程-细说Future

2022-11-11 11:46:17

Future

在前文C++11笔记-多线程-初识-async()和Future中，初次使用async()和Future来实现一个多线程的demo；
在上一文中讲到，class std::future<>允许你等待线程结束并获取其结果，可以获取到线程函数的返回值或者是一个异常；
这里将在学《C++标准库》时，把关于future的详细内容记录下来，方便以后工作学习使用；
在18.3.2 细说Future中，讲到future用来表现某一操作的成果（outcome）：可能是一个返回值或是一个异常，但二者不会同时存在；这份成果被管理于一个shared state内，后者可以被async()或一个packaged_task或一个promise创建处理。这份成果也许尚未存在，因此future持有的也可能是“生成该成果”的每一件必要的东西；

接口

操作	效果
future f	Default 构造函数，建立一个future，带着无效状态（invalid state）
future f(rv)	Move构造函数，建立一个新的future，状态取自rv，并令rv状态失效
f.~future()	销毁状态也销毁*this
f = rv	Move assignment;销毁f的旧状态，取rv状态填之，并令rv状态失效
f.valid()	如果f具备有效状态就获得true，然后你才可以调用以下各个成员函数
f.get()	阻塞（block）直到后台操作完成。它会迫使被推迟的线程（deferred thread）同步启动（start synchronously），产出结果（如果有的话）或发出异常，并令其状态失效
f.wait()	阻塞（block）直到后台操作完成。它会迫使被推迟的线程（deferred thread）同步启动（start synchronously）
f.wait_for(dur)	阻塞（block）dur时间段，或直到后台操作完成。但被推迟的线程（deferred thread）并不会被强制启动
f.wait_until(tp)	阻塞（block）直至到达时间点tp，或直到后台操作完成。但被推迟的线程（deferred thread）并不会被强制启动
f.share()	产生一个shared_future带有当前状态，并令f的状态失效

注意事项

1.如果future是被async()返回且其相关的task推迟，对它调用get()或者wait()会同步启动该task，但是wait_for()和wait_until()都不会令一个被推迟任务（deferred task）启动；
2.future的成果只能被取出一次。因此future可能处于有效（valid）或无效（invalid）状态：有效意味着“某一操作的成果或爆发的异常”尚未被取出；
get()只能被调用一次，因为get()会令future处于无效状态；
面对无效的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。
3.get()的返回值：


情况一	如果它是void，get()获得的就是void，也就是之前说的“无物”
情况二	如果future的template参数是个reference类型，get()便返回一个reference指向返回值；
情况三	非上述两种情况，则get()返回返回值的一份copy，或是对返回值进行move assignment动作——取决于返回类型是否支持move assignment语义；

注意：get()的返回值取决于future<>的特化类型；
4.future既不提供copy构造函数也不提供copy assignment操作符，确保绝不会有两个object共享某一个后台操作的状态（state）。“将某个future object状态搬移至另一个”的唯一办法是：调用move构造函数或move assignment操作符；然而通过使用share_future object 也可以令后台任务的状态被共享，其share()会释出控制权；
5.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，析构函数会造成阻塞（block），直到任务完成；

处理后台异常

如果 std::async 调用的函数抛出异常，那么这个异常会被存储在值的位置，同时 future 变为 ready ,如果调用 get() 会重新抛出存储的异常。
在《C++标准库》18.1节中的处理异常部分中举了一个栗子：启动一个后台任务，该任务使用无限循环持续的分配内存给list 变量v增加新元素，这样线程会出现内存分配异常（bad_alloc）；
给出以下代码：

#include <future>
#include <list>
#include <iostream>
#include <exception>

using namespace std;

void task1()
{
    list<int> v;
	while (true)
	{
		for (size_t i = 0; i < 1000000; i++)
		{
			v.push_back(i);
		}
		cout.put('.').flush();
	}

	cout << "task 1 over " << endl;
}
int main()
{
	cout << "starting 2 task" << endl;
	cout << "- task1: process endless loop of memory consuption" << endl;
	cout << "- task2: wait for <return> and then for task1" << endl;

	auto f1 = async(task1);
	//cin.get();
	cout << "\nwait for the end of task1:" << endl;
	try
	{
		f1.get();
	}
	catch (const exception& e)
	{
		cout << "EXCEPTION: " << e.what() << endl;
	}
    system("pause");
}

执行后效果：

当async()开始启动task1后，task1函数会有两种情况出现；
一种情况是：好的消息，没有什么特殊的事情发生；
另外一种情况是：坏的消息，“对future调用get()”也能处理异常；事实上，当get()被调用，且后台操作已经（或随后由于异常）而终止，该异常不会在此线程内被处理，而是会再次被传播出去。因此，欲处理后台操作所生的异常，你只需要偕同get()做出“以同步方式调用该操作”所作出的相同动作即可；
这个无限循环迟早会出现异常，该异常会终止线程，因为它未被捕获。Future object会保持这一状态直到get()被调用。搭配get()后这个异常在main()内被进一步传播；

等待wait/wait_for/wait_until

wait

只要对某个future调用wait()，就可以强制启动该future象征的线程并等待这一后台操作终止；

	std::future<...> f(std::async(func));
	...
	f.wait();

wait_for

使用wait_for()并给予一个时间段，就可让“异步、运行中”的操作等待一段有限时间：

std::future<...> f(std::async(func));
...
// 等待func线程10s；
f.wait_for(std::chrono::seconds(10));

wait_until

使用wait_until()就可以等待直至达到某特定时间点；

std::future<...> f(std::async(func));
...
// 等待func线程，直到1分钟后；
f.wait_until(std::system_clock::now() + std::chrono::minutes(1));

wait_for和wait_until并不强制启动线程（如果线程尚未启动的话）；

wait_for和wait_until的返回值

不论wait_for和wait_until有以下三种返回值：
1.std::future_status::deferred——如果async()延缓了操作而程序中又完全没有调用wait()或get()（那会强制启动）。这种情况下上述两个函数都会立刻返回；
2.std::future_status::timeout——如果某个操作被异步启动但尚未结束，而waiting又已逾期（对给定的时间段而言）；
3.std::future_status::ready——如果操作已经完成；
注意：如果给wait_for或者wait_until传入一个zero时间段或者一个过去的时间点，那么wait_for或wait_until函数仅仅是查询这个后台任务是否已被启动，和/或是否它正在运行中；

例子

《C++标准库》举了一个例子，显示了wait_until的应用场景；
需求：需要计算一个数值，计算时间或长或短，我们必须在某个时间段内获得一个粗精度的结果（quickComputation函数），如果这个时间段内能计算得到高精度的结果（accurateComputation）那就更好了；

int quickComputation();
int accurateComputation();
std::future<int> f;
int bestResultInTime()
{
	auto tp = std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::minutes(1);
	f = std::async(std::launch::async, accurateComputation);
	int guess = quickComputation();
	std::future_status s = f.wait_until(tp);

	if (s == std::future_status::ready)
	{
		return f.get();
	}
	else
	{
		return guess;
	}
}

注意：future f不能是声明于bestResultInTime函数内的对象，那样的话若时间太短以至于无法完成accurateComputation()，future析构函数就会阻塞直到异步操作结束，这样bestResultInTime函数就会同时计算出粗精度结果和高精度结果，但返回值不一定是高精度的结果；

总结

async()提供了一种编程环境，让我们有机会并行启动某些“稍后（当get()被调用时）才会用到其结果”的动作。换句话说，如果你有某个独立函数f，你有可能受益于并行机制，做法是在你需要调用f时改而把f传给async()，然后在你需要f的结果时改为“对async()返回的future调用get()”；
future提供了外部对async()启动的线程的联系，可以获取到返回值或者异常，如果没有启动成功还能启动函数线程执行；

文献

1.《C++标准库》第二版；

码农公寓