C++一分钟之-未来与承诺：std::future与std::promise

在现代C++编程中，std::future和std::promise是异步编程模型中的两个重要组件，它们构成了C++标准库中处理异步计算结果的基础。本文将深入浅出地介绍这两个概念，探讨它们的应用场景、常见问题、易错点及如何避免，同时辅以代码示例，帮助读者更好地理解和运用这些机制。

一、未来（std::future）与承诺（std::promise）

1.1 未来（std::future）

std::future代表一个可能尚未完成的异步任务的结果。一旦关联的任务完成，你可以通过future对象获取或等待这个结果。它就像是一个装着未来结果的容器，你可以选择阻塞等待结果，或者检查结果是否已准备好。

1.2 承诺（std::promise）

std::promise则是用来设置std::future值的对象。它允许你在某个时刻将结果存储起来，而这个结果可以被关联的future对象获取。promise就像是一个承诺，保证会提供一个结果给那些等待它的future。

二、应用场景

• 异步任务处理：当一个任务需要较长时间执行，且不希望阻塞主线程时，可以启动一个异步任务，并用std::future来接收其结果。
• 并发编程：在多线程环境中，std::promise和std::future可以用来在不同线程间传递数据，实现线程间的通信。
• 任务结果缓存：对于耗时但结果可复用的计算，可以先用std::async结合std::future执行一次，后续直接从future获取结果，避免重复计算。

三、常见问题与易错点

3.1 异常安全

当向std::promise设置值时抛出异常，如果没有妥善处理，可能会导致结果永远不会被设置，而等待的std::future将永远阻塞。

3.2 多重获取

std::future的结果只能获取一次。尝试再次调用get()会导致未定义行为。

3.3 错误的线程同步

在多线程环境下，没有正确同步对std::promise的访问可能导致数据竞争。

3.4 忘记检查std::future的状态

直接调用get()而不先检查is_ready()状态，可能会导致当前线程阻塞，特别是在结果还未准备好时。

四、如何避免这些问题

4.1 使用智能指针管理std::promise

利用std::shared_ptr<std::promise<T>>可以在异常发生时，通过智能指针的生命周期管理自动清理资源，确保结果能被正确设置。

4.2 明确获取结果的时机

使用std::future::wait_for()或std::future::wait_until()来控制等待时间，避免无限期阻塞。

4.3 确保线程安全

使用互斥锁或其他同步原语保护对std::promise的操作，防止数据竞争。

4.4 检查未来状态

在调用get()之前，先检查std::future::valid()和std::future::wait_for()，确保操作的安全性。

五、代码示例

下面的示例展示了如何使用std::async启动一个异步任务，并通过std::future获取结果。

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

// 异步任务函数
int heavyComputation() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟耗时操作
    return 42; // 返回计算结果
}

int main() {
    // 启动异步任务并获取future
    std::future<int> result_future = std::async(std::launch::async, heavyComputation);

    std::cout << "Doing something else...\n";

    // 获取结果，如果结果还没准备好，这会阻塞直到结果可用
    int result = result_future.get();
    std::cout << "The result is: " << result << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，heavyComputation函数在一个单独的线程中执行，而主线程继续执行其他任务，最后通过get()方法等待并获取结果。

通过理解std::future和std::promise的工作原理及其最佳实践，开发者能够更高效、安全地编写异步和并发代码，充分利用现代硬件的多核优势，提升程序性能。