C++中promise和future详解

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 
#include 
#include 

using namespace std;
using namespace std::chrono;

void WaitForMilkTea(future& 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& 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 pNotice;
	//获取与promise相关联的future
	future pFuture = pNotice.get_future();

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

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


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其中future_status枚举如下：

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

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

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::future仅在创建它的std::promise(或者std::async、std::packaged_task)有效时才有用，所以可以在使用前用valid()判断
• std::future可供异步操作创建者用各种方式查询、等待、提取需要共享的值，也可以阻塞当前线程等待到异步线程提供值。
• std::future一个实例只能与一个异步线程相关联，多个线程则需要使用std::shared_future。

std::promise

成员函数：

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

• std::promise的set相关函数和get_future()只能被调用一次，多次调用会抛出异常
• std::promise作为使用者的异步线程中应当注意到共享变量的生命周期、是否被set问题。如果没被set而线程就结束了，future端就会抛出异常。

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());
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#include 
#include 
#include 

using namespace std;
using namespace std::chrono;

void futureHandleEntry(std::shared_future& 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 promise;
	//获取shared_future用于多线程访问异步操作结果
	std::shared_future 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();
}
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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 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

void threadEntry(std::future& 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 promise;
	std::future 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();
}
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在linux中运行结果如下： 会有Promise already satisfied的错误提示
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QwIChyPK-1667983568539)(images/111.png)]

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  // std::cout, std::endl
 2#include    // std::thread
 3#include    // std::promise, std::future
 4#include    // seconds
 5using namespace std::chrono;
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 7void read(std::future future) {
 8    try {
 9        future.get();
10    } catch(std::future_error &e) {
11        std::cerr << e.code() << "\n" << e.what() << std::endl;
12    }
13}
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15int main() {
16    std::thread thread;
17    {
18        // 如果promise不设置任何值
19        // 则在promise析构时会自动设置为future_error
20        // 这会造成future.get抛出该异常
21        std::promise promise;
22        thread = std::thread(read, promise.get_future());
23    }
24    thread.join();
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26    return 0;
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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 
 #include 
 #include 
 #include   // std::make_exception_ptr
 #include   // std::logic_error
 
void catch_error(std::future &future) {
    try {
       future.get();
    } catch (std::logic_error &e) {
       std::cerr << "logic_error: " << e.what() << std::endl;
   }
}

int main() {
    std::promise promise;
    std::future 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;
}
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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);
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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

1.4 std::promise

通过上面的例子，我们看到std::promise
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。

1.5 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：

• std::promise.set_value_at_thread_exit 线程退出时，std::future收到通过该函数设置的值
• std::promise.set_exception_at_thread_exit 线程退出时，std::future则抛出该函数指定的异常。

参考文档：

1、https://cloud.tencent.com/developer/article/1988759?from=15425

2、https://blog.csdn.net/usstmiracle/article/details/107151236

3、https://www.modb.pro/db/162181