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1.概述
在编程实践中，我们常常需要使用异步调用。通过异步调用，我们可以将一些耗时、阻塞的任务交给其他线程来执行，从而保证当前线程的快速响应能力。还有一些场景可以通过将一个任务，分成多个部分然后将这部分交给多个线程来进行并发执行，从而完成任务的快速计算执行，提高应用性能。这里就需要用到异步调用的概念。
异步调用，就是当前线程将一个任务交给另外一个线程来进行执行，当前线程会接着执行当前任务，不需要等待这个交付给其他线程执行的任务的结果，直到其在未来的某一个时刻需要使用这个任务执行结果数据的时候。
std::future 是 C++11 标准库中引入的一个非常重要的特性，它提供了一种机制来访问异步操作的结果。当你启动一个异步操作（比如，通过 std::async、std::packaged_task、std::promise 等）时，你可以立即获得一个 std::future 对象，这个对象将在异步操作完成时持有操作的结果。
2.std::future的基本用法
要理解 std::future 的用法，我们需要先了解几个相关的组件：
std::async：用于启动异步任务，并返回一个std::future对象。std::promise：用于设置将来某个时刻的值，可以与std::future配合使用。std::future：用于获取异步操作的结果。
1）使用 std::async 创建异步任务
std::async 是最简单、最直接的创建异步任务的方式。我们来看一个简单的例子：
#include <iostream> #include <future> #include <chrono> int main() { // 启动一个异步任务，计算某个复杂的结果 std::future<int> result = std::async(std::launch::async, []() -> int { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作 return 42; }); std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl; // 等待并获取结果 int value = result.get(); std::cout << "Result: " << value << std::endl; return 0; } 在这个例子中，我们使用 std::async 启动了一个异步任务，该任务在后台计算一个结果并返回一个 std::future 对象。我们可以继续执行其他操作，直到需要获取异步任务的结果时，调用 result.get() 阻塞等待并获取结果。
2）使用 std::promise 和 std::future
除了 std::async，我们还可以使用 std::promise 和 std::future 来实现更灵活的异步任务管理。std::promise 用于在某个时刻设置结果，而 std::future 用于在稍后获取该结果。来看一个具体的例子：
#include <iostream> #include <future> #include <thread> void compute(std::promise<int>& prom) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作 prom.set_value(42); // 设置结果 } int main() { std::promise<int> prom; std::future<int> fut = prom.get_future(); std::thread t(compute, std::ref(prom)); std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl; int value = fut.get(); std::cout << "Result: " << value << std::endl; t.join(); return 0; } 在这个例子中，我们创建了一个 std::promise 对象，并通过 get_future() 获取与之关联的 std::future 对象。然后，我们启动一个线程，在该线程中执行耗时操作并设置结果。主线程可以继续执行其他操作，直到调用 fut.get() 阻塞等待并获取结果。
3）std::future的尝试等待
std::future 还提供了 wait_for() 和 wait_until() 方法，允许你尝试等待一段时间或直到某个时间点。这些方法不会永久阻塞线程，而是会在指定的时间或条件到达时返回。如：
#include <iostream> #include <vector> #include <future> #include <thread> #include <chrono> int async_task(int id) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(id)); return id * id; } int main() { std::vector<std::future<int>> futures; for (int i = 1; i <= 3; ++i) { futures.push_back(std::async(std::launch::async, async_task, i)); } for (auto& fut : futures) { std::cout << "Result: " << fut.get() << std::endl; } return 0; }4）std::future的错误处理
如果异步操作中抛出了异常，并且该异常没有被捕获，那么当你调用 get() 方法时，这个异常会被重新抛出。因此，你需要准备好处理这些可能的异常。如：
#include <iostream> #include <future> #include <thread> void compute(std::promise<int>& prom) { try { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作 throw std::runtime_error("Something went wrong"); // 抛出异常 prom.set_value(42); // 设置结果 } catch (...) { prom.set_exception(std::current_exception()); // 设置异常 } } int main() { std::promise<int> prom; std::future<int> fut = prom.get_future(); std::thread t(compute, std::ref(prom)); std::cout << "Doing something else while waiting for the result..." << std::endl; try { int value = fut.get(); std::cout << "Result: " << value << std::endl; } catch (const std::exception& e) { std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl; } t.join(); return 0; } 在这个例子中，我们在 compute 函数中抛出了一个异常，并在 std::promise 对象中设置该异常。主线程在调用 fut.get() 时，会捕获并处理这个异常。
注意事项
- 每个
std::future对象只能调用一次get()方法。- 一旦
std::future对象的get()方法被调用并返回了结果，或者std::future对象被移动，它就不能再用来获取结果了。- 如果异步操作抛出异常且该异常在
std::future对象被销毁前未被捕获，则程序将终止。因此，请确保在销毁std::future对象之前调用get()方法并适当处理异常。
3.使用 std::shared_future
有时候，我们希望多个线程可以共享一个 std::future 对象的结果。C++11 引入了 std::shared_future，它允许多个线程安全地访问同一个异步操作的结果。来看一个例子：
#include <iostream> #include <future> #include <thread> #include <vector> void compute(std::shared_future<int> fut) { std::cout << "Thread got result: " << fut.get() << std::endl; } int main() { std::promise<int> prom; std::shared_future<int> fut = prom.get_future().share(); std::vector<std::thread> threads; for (int i = 0; i < 3; ++i) { threads.emplace_back(compute, fut); } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); prom.set_value(42); for (auto& t : threads) { t.join(); } return 0; } 在这个例子中，我们使用 std::promise 创建了一个 std::shared_future 对象，并将其传递给多个线程。这些线程可以共享并安全地访问同一个异步操作的结果。
4.std::future的使用场景
- 并行计算：当你需要将计算任务分配给多个线程并行执行，并需要等待所有任务完成时。
- 异步IO：在进行耗时的IO操作时，可以使用异步方式执行，并在操作完成时继续处理。
- 性能优化：通过异步处理非关键路径上的操作，可以提高应用程序的响应性和吞吐量。
5.总结
std::future 是 C++ 中进行异步编程的重要工具，它简化了异步操作的启动、结果查询和异常处理。通过合理使用 std::future 和相关机制，可以编写出既高效又易于维护的异步代码。
