2_6_9 async、future、packaged_task、promise、shared_future、atomic

本文深入探讨C++中std::async、std::future、std::packaged_task、std::promise的使用技巧,通过实例讲解如何创建后台任务、获取线程返回值、包装可调用对象及原子操作的应用,帮助读者掌握高效并发编程方法。

6_9_async_future_packaged_task_pro.cpp

#include "hjcommon.hpp"
#include <future>

using namespace std;
HJ_NS_USING

static int aFunc(int num)
{
	cout << "aFunc start. : " << num << ", threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	sleep(1000*1000);
	cout << "aFunc end." << endl;
	return 5;
}
static int bFunc(int num)
{
	cout << "bFunc. : " << num << ", threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	return 2;
}
class A
{
public:
	int operator()(int num)
	{
		cout << "operator(). : " << num << ", threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
		return 3;
	}
};
static void cFunc(std::promise<int> &pro, int calc)
{
	calc *= 10;
	cout << "cFunc. : " << calc << ", threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	sleep(1000*1000);
	int ret = calc;
	pro.set_value(ret); // 不能直接保存 calc 值,编译报错..
}
static int dFunc()
{
	sleep(1s);
	cout << "dFunc. threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	return 3;
}

int main_2_6_9(int argc, char *argv[])
{
	// std::async函数模板 std::future类模板 创建后台任务并返回值
	cout << "主线程:" << this_thread::get_id() << endl;
	std::future<int> fut = std::async(std::launch::deferred, aFunc, 1); // 创建子线程执行aFunc函数,传参的行为与thread传参一样
	// get() 与 wait() 只能调一个,都调用程序会抛宕,相同的get或wait函数也只能调用一次。 若两个函数都不调用,行为有点类似detach,但是程序依然会等待线程执行完毕
	int ret = fut.get(); // 会阻塞,直到线程执行完返回
//	fut.wait(); // wait()只会阻塞直到线程执行完,拿不到线程函数返回值
	// std::launch::deferred(枚举) : 表示线程函数会延迟到程序主动调用get()或wait()函数后才会执行,
		// 此时线程函数是在主线程中执行的,也就是async()没有去创建子线程了,此时若不get()或wait(),那么线程函数根本不会执行。 std::launch::async(另一个值)

	// std::packaged_task类模板 : 将可调用对象包装起来,供后续调用,模板参数为可调用对象类型
//	std::packaged_task<int(int)> pt1(bFunc); // 包装 bFunc 函数
//	std::packaged_task<decltype(bFunc)> pt1(bFunc); // 效果同上,<> 里可以用decltype(bFunc)
	A a;
	std::packaged_task<int(int)> pt1(a); // 效果同上,但是 <> 里不能用decltype(a)。。
	thread t1(std::ref(pt1), 2); // 参数 2 表示线程函数形参
	t1.join();
	future<int> fut2 = pt1.get_future(); // 将 packaged_task 与 future 关联,可以获取线程函数返回值
	cout << "packaged_task包装函数 : " << fut2.get() << endl; // 由于上面thread.join() 过了,所着这里futire.get()不会再阻塞而是直接拿到线程函数返回值
	// packaged_task 包装 lambda
	auto lambda = [](int num) {
		cout << "lambda. : " << num << ", threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
		return 4;
	};
	packaged_task<int(int)> pt2(lambda); // <>里不能用decltype(lambda)。。
	thread t2(std::ref(pt2), 4);
	t2.join();
	cout << "packaged_task包装lambda : " << pt2.get_future().get() << endl;
	// packaged_task 对象也是可调用对象,直接调用等于调用其包装的可调用对象,若packaged_task不管以何种方式调用过,就不能再次调用了,会抛宕.
	packaged_task<int(int)> pt3(lambda);
	pt3(1121);
	cout << "packaged_task直接调用包装的可调用对象 : " << pt3.get_future().get() << endl;
	// packaged_task 也可以存入到容器中,注意每次取出与存入都要用移动语义
	vector<packaged_task<int(int)>> vec;
	vec.push_back(packaged_task<int(int)>(lambda));
	auto iter = vec.begin();
	packaged_task<int(int)> pt4 = std::move(*iter);
	vec.erase(iter); // 移除
	pt4(414);
	cout << "packaged_task容器移动语义 : " << pt4.get_future().get() << endl; // 这里若没有调用可调用对象(pt4(414);),同样也会被阻塞,直到调用完该可调用对象

	// std::promise 类模板 : 在一个线程中保存某个值,在其他线程中可以取出来,promise.set_value(val) promise.get_future().get()
	std::promise<int> pro;
	thread t3(cFunc, std::ref(pro), 3); // 需要是同一个promise,不能拷贝,所以用了std::ref()
	t3.join();
	future<int> fut3 = pro.get_future(); // primise 与 future 关联
	// 当promise.get_future().get()时,若其他地方还没有调用promise.set_value()那么会阻塞当前线程,直到promise.set_value()..
	cout << "promise获取线程中保存的值 : " << fut3.get() << endl;

	// 测试 packaged_task.get_future().get() 与 thread.detach() 是否会阻塞
	packaged_task<int(void)> pt(dFunc);
	Thread t(std::ref(pt));
	t.detach();
	cout << "dFunc return=" << pt.get_future().get() << endl; // 只要pt.get_future().get()没有拿到返回值,线程就算是detach,也会阻塞等待返回值

	cout << "end." << endl;
	return 0;
}

6_10_shared_future_atomic.cpp

#include "hjcommon.hpp"
#include <future>
#include <mutex>

using namespace std;
HJ_NS_USING

static int aFunc()
{
	cout << "aFunc start. threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	sleep(2000*1000);
	cout << "aFunc end." << endl;
	return 1;
}
static int bFunc()
{
	cout << "bFunc threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
	return 2;
}
// 原子操作,int,默认值0,需要包含 #include <future> ,使用 std::atomic<int> g_num = 0; 编译会报隐式转换错误。。使用 std::atomic<int> g_num(0); eclipse标红。。
static std::atomic<int> g_num;
static void cFunc()
{
	for (int i=0; i<10000000; ++i)
		g_num++;
}

int main_2_6_10(int argc, char *argv[])
{
	cout << "主线程:" << this_thread::get_id() << endl;
	std::future<int> fut1 = std::async(std::launch::deferred, aFunc);
	std::future_status status = fut1.wait_for(std::chrono::seconds(3)); // 阻塞参数时长,future_status枚举, ready, timeout, deferred
//	std::future_status status = fut1.wait_until(); // 与 wait_for 类似
	switch (status)
	{
	case std::future_status::timeout: // 超时
		cout << "超时" << endl;
		break;
	case std::future_status::ready: // 成功返回
		cout << "成功返回 : " << fut1.get() << endl;
		break;
	case std::future_status::deferred: // std::async()第一个参数传 std::launch::deferred 时,wait_for返回此状态,而且wait_for()函数不会阻塞
		cout << "std::launch::deferred" << endl;
		break;
	}

	// std::shared_future : std::future.get()函数是移动语义,所以只能get一次,使用shared_future实现可以get多次(复制)
	packaged_task<int(void)> pt2(bFunc);
	thread t2(ref(pt2));
	t2.join();
	future<int> fut2 = pt2.get_future();
	cout << "future.valid()=" << fut2.valid() << endl; // future.valid()=1, future.valid()返回future是否还能get()值
	std::shared_future<int> sf2(fut2.share()); // fut2.share() 等同于 std::move(fut2)
	cout << "future.valid()=" << fut2.valid() << endl; // future.valid()=0
	int ret = sf2.get();
	ret = sf2.get();

	// std::atomic类模板 原子操作 : 指不会被打断的程序执行片段, 原子操作效率上比mutex要高, 但原子操作只能针对一个变量,而mutex可以是代码段
	g_num.store(0); // 往 atomic 中写值,原子操作
	thread t3(cFunc); // 两个线程同时大循环写同一个变量
	thread t4(cFunc);
	t3.join();
	t4.join();
	// 已经join()了,所以理论上每次执行结果值应该都是20000000, 但是由于原子操作的问题,所以每次执行结果不一定都是20000000
	// 由于cpu切换造成线程中断,如果中断的时候一个线程中刚好是要加但未加完,然后cpu去另一个线程执行加法,那么此时第一个线程中的加法就不会成功,所以最终的结果可能会比20000000小
	// 虽然此问题可以用mutex加锁解决,但是执行效率会大大降低.
	cout << "原子操作g_num=" << g_num << endl;

	cout << "end." << endl;
	return 0;
}

6_11_atomic_async.cpp

#include "hjcommon.hpp"
#include <future>

using namespace std;
HJ_NS_USING

static std::atomic<int> g_num;
static void func()
{
	for (int i=0; i<10000000; ++i)
	{
		g_num++; // atomic对于 ++ -- += -= &= |= 等运算符结果是正确的,但是 g_num = g_num+1; 这种方式是不行。。
		g_num += 1;
//		g_num = g_num+1;
	}
}
static void bFunc()
{
	cout << "bFunc. threadId=" << this_thread::get_id() << endl;
}

int main_2_6_11(int argc, char *argv[])
{
	// atomic对于 ++ -- += -= &= |= 等运算符结果是正确的,但是 g_num = g_num+1; 这种方式是不行。。
	g_num.store(10); // 往 atomic 中写值,原子操作
	atomic<int> ato2;
	ato2.store(g_num.load()); // load() 函数,读取 atomic 的值,原子操作的

	thread t1(func);
	thread t2(func);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << "原子操作g_num=" << g_num << endl;

	// async
	cout << "主线程:" << this_thread::get_id() << endl;
//	future<void> fut1 = async(std::launch::async, bFunc); // std::launch::async表示强制创建新线程,线程函数会在此代码后就开始执行,不用等future.get()
	// std::launch::async | std::launch::deferred 的行为可能是async的行为,也可能是deferred的行为。。 看系统调度,可用future.wait_for()看是哪种行为
//	future<void> fut1 = async(std::launch::async | std::launch::deferred, bFunc);
	future<void> fut1 = async(bFunc); // 当不指定launch参数时,默认值为 std::launch::async | std::launch::deferred
	future_status status = fut1.wait_for(0s); // 0s 表示0秒, c++11中支持此种运算符重载(operator""s等)  0ms:0毫秒 0us:0微秒 0ns:0纳秒 0h:0小时 0min:0分钟
	cout << "status==future_status::deferred ? " << (status==future_status::deferred) << endl;
	fut1.get();

	cout << "end." << endl;
	return 0;
}
<think>我们正在讨论`std::packaged_task`的异常处理和使用场景。根据引用内容,我们可以总结如下: 1. **异常捕获**:通过`std::future`可以捕获任务执行过程中抛出的异常(引用[2])。 2. **使用场景**:包括任务队列(如线程池)、异步编程等(引用[1]、[2])。 现在,让我们深入探讨`std::packaged_task`的异常处理机制和相关使用场景。 --- ### 一、`std::packaged_task` 异常处理机制 当使用`std::packaged_task`封装任务时,如果任务执行过程中抛出异常,该异常会被捕获并存储到关联的`std::promise`中。随后,当通过`std::future::get()`获取结果时,异常会被重新抛出(在调用`get()`的上下文中)。 #### 1. 异常传递流程 ```cpp #include <iostream> #include <future> #include <stdexcept> int main() { // 封装一个可能抛出异常的任务 std::packaged_task<int()> task([]() -> int { throw std::runtime_error("任务执行失败"); return 42; }); std::future<int> fut = task.get_future(); // 执行任务(会抛出异常,但被packaged_task捕获) task(); // 异常被存储到promise中 try { int result = fut.get(); // 抛出存储的异常 } catch (const std::runtime_error& e) { std::cerr << "捕获异常: " << e.what() << std::endl; // 输出: 捕获异常: 任务执行失败 } return 0; } ``` #### 2. 关键特性 - **异常存储**:任务抛出的任何异常都会通过`std::promise::set_exception()`存储到共享状态中。 - **一次性抛出**:`future::get()`只能获取一次异常(与结果同理),之后`future`变为无效。 --- ### 二、异常处理的使用场景 #### 1. 线程池中的异常安全 在引用[1]和[2]提到的线程池场景中,`packaged_task`可确保工作线程的异常传递到主线程: ```cpp // 线程池任务队列示例 std::queue<std::packaged_task<void()>> tasks; std::mutex queue_mutex; // 工作线程 void worker_thread() { while (true) { std::packaged_task<void()> task; { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex); if (tasks.empty()) continue; task = std::move(tasks.front()); tasks.pop(); } task(); // 执行任务(异常被捕获并存储) } } // 提交任务并获取future template<typename Func> std::future<void> submit_task(Func f) { std::packaged_task<void()> task(f); auto fut = task.get_future(); { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex); tasks.push(std::move(task)); } return fut; } // 使用示例 auto future = submit_task([] { throw std::logic_error("计算错误"); }); try { future.get(); // 在主线程捕获异常 } catch (const std::exception& e) { // 处理异常 } ``` #### 2. 任务重试机制(引用[1]) 通过捕获异常,可实现自动重试: ```cpp void retry_task(std::packaged_task<int()>& task, int max_retries) { for (int i = 0; i < max_retries; ++i) { try { task(); // 执行任务 break; // 成功则退出 } catch (...) { if (i == max_retries - 1) { // 最后一次重试仍失败,存储异常 std::rethrow_exception(std::current_exception()); } } } } ``` #### 3. 异步调用链中的异常传递 结合`std::future`的链式处理: ```cpp std::future<int> async_chain() { std::packaged_task<int()> task1{[] { return 20; }}; auto fut1 = task1.get_future(); // 启动异步任务... // 下一阶段任务(依赖fut1的结果) std::packaged_task<int(int)> task2([](int val) { if (val < 0) throw std::domain_error("值无效"); return val * 2; }); return std::async([fut1 = std::move(fut1), task2 = std::move(task2)]() mutable { try { int input = fut1.get(); // 可能抛出异常 task2(input); return task2.get_future().get(); } catch (...) { // 处理或重新抛出 throw; } }); } ``` --- ### 三、注意事项 1. **任务重置与异常** 引用[2]提到`reset()`方法:仅当任务**未执行过**时才能重置。若任务已执行(无论成功或抛出异常),调用`reset()`会抛出`std::future_error`(错误码`no_state`)。 2. **共享状态生命周期** `packaged_task`析构时,若共享状态未被提取(即未调用`get_future()`)或未执行,其析构行为是安全的。但若已关联`future`且未执行,析构可能导致`future`变为无效状态。 3. **与`std::async`的对比** 引用[4]指出,`std::async`内部使用`packaged_task`,但自动处理了线程启动和异常传递。直接使用`packaged_task`更适合需要手动控制任务调度(如线程池)的场景。 --- ### 四、相关问题 1. 如何在`std::packaged_task`中捕获特定类型的异常并转换为错误码? 2. `std::packaged_task`与`std::function`在异常处理上有何区别? 3. 在多级任务链中,如何设计异常传播机制以避免丢失原始异常信息? 4. 当任务在销毁前未执行,关联的`std::future`会处于什么状态? 5. 如何结合`std::packaged_task`和`std::shared_future`实现多订阅者的异常广播? > 引用来源: > `std::packaged_task` 的异常传递机制 [^3] > 线程池中的异常安全设计 [^1][^2] > 异步任务链的异常处理模式 [^4]</think>### `std::packaged_task` 异常处理机制与使用场景 #### 一、异常处理机制 1. **异常捕获与传递** `std::packaged_task` 会自动捕获任务执行中抛出的异常,并通过关联的 `std::future` 传递: ```cpp #include <future> #include <iostream> #include <stdexcept> int main() { // 封装可能抛出异常的任务 std::packaged_task<int()> task([] { throw std::runtime_error("Task failed!"); return 42; }); std::future<int> fut = task.get_future(); task(); // 执行任务(抛出异常) try { int result = fut.get(); // 此处重新抛出异常 } catch (const std::runtime_error& e) { std::cerr << "捕获异常: " << e.what() << std::endl; // 输出: 捕获异常: Task failed! } } ``` 2. **关键特性**: - **异常存储**:异常被存储到共享状态中,直到调用 `future::get()` 时抛出 - **一次性抛出**:与结果值相同,异常只能通过 `get()` 获取一次 - **状态一致性**:抛出异常后,`future` 状态变为 `ready`,`valid()` 返回 `false` #### 二、异常处理相关使用场景 1. **线程池中的错误处理** 在任务队列中捕获工作线程的异常(引用[1][2]): ```cpp // 线程池任务提交函数 template<typename Func> std::future<void> ThreadPool::submit(Func f) { std::packaged_task<void()> task(f); auto fut = task.get_future(); { std::lock_guard<std::mutex> lock(queue_mutex); tasks.emplace(std::move(task)); // 加入任务队列 } return fut; // 返回future供调用方捕获异常 } // 使用示例 auto future = pool.submit([] { if (error_condition) throw std::logic_error("计算错误"); }); try { future.get(); // 主线程捕获异常 } catch (const std::exception& e) { // 处理异常 } ``` 2. **异步任务链的异常传递** 构建任务链时实现异常穿透: ```cpp auto task1 = std::packaged_task<int()>{ [] { throw std::overflow_error("第一阶段错误"); return 100; }}; auto fut1 = task1.get_future(); std::thread(std::move(task1)).detach(); // 第二阶段任务(依赖第一阶段结果) auto task2 = std::packaged_task<void()>{ [fut = std::move(fut1)] { try { int val = fut.get(); // 此处会抛出第一阶段的异常 } catch (...) { // 捕获并处理 // 记录日志或转换异常类型 throw std::runtime_error("任务链中断"); } }}; ``` 3. **任务重试机制**(引用[1]) 通过异常触发重试逻辑: ```cpp void retry_task(std::packaged_task<void()>& task, int max_retries) { for (int i = 0; i < max_retries; ++i) { try { task(); // 执行任务 return; // 成功则退出 } catch (...) { if (i == max_retries - 1) { // 最后一次重试仍失败,存储异常 std::rethrow_exception(std::current_exception()); } task.reset(); // 重置任务状态(引用[2]) } } } ``` #### 三、关键注意事项 1. **`reset()` 的异常限制**(引用[2]) - 仅当任务**未执行过**时才能调用 `reset()` - 若任务已抛出异常后调用 `reset()`,会抛出 `std::future_error`(错误码 `no_state`) 2. **异常类型保留** `future::get()` 会精确保留原始异常类型,包括自定义异常: ```cpp struct CustomError : std::exception { ... }; std::packaged_task<void()> task([] { throw CustomError(); }); try { task(); task.get_future().get(); } catch (const CustomError& e) { // 精确捕获 // 处理自定义异常 } ``` 3. **与 `std::async` 的对比**(引用[4]) `std::async` 内部使用 `packaged_task` 但自动处理异常传递,更适合简单场景: ```cpp // 等效于手动packaged_task的方案 auto fut = std::async([] { throw std::bad_alloc(); }); fut.get(); // 自动传递异常 ``` #### 四、最佳实践 1. **始终检查任务状态** ```cpp if (task.valid()) { try { task(); auto result = task.get_future().get(); } catch (...) { ... } } ``` 2. **异常安全包装器** ```cpp template<typename Func> auto safe_package(Func f) { std::packaged_task<std::invoke_result_t<Func>()> task([f] { try { return f(); } catch (...) { // 添加额外日志记录 throw; // 重新抛出 } }); return task; } ``` --- ### 相关问题 1. 如何通过 `std::packaged_task` 实现跨线程的异常堆栈追踪? 2. `std::packaged_task` 与 `std::promise` 在异常处理上有何性能差异? 3. 当任务在销毁前未执行,关联的 `std::future` 会抛出什么异常? 4. 如何设计支持异常传播的异步任务链? 5. 在分布式系统中如何通过 `std::packaged_task` 传递序列化异常? > 引用来源: > `std::packaged_task` 的异常捕获机制 [^3] > 线程池中的异常安全实践 [^1][^2] > `std::async` 的异常封装实现 [^4]
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