C++异步调用利器future/promise实现原理

前言

在异步编程中，各种回调将让人眼花缭乱，代码分散，维护起来十分困难。boost和C++11 的 future/promise 提供了一个很好的解决方案，使得代码更加漂亮、易维护。

在工作中，我也用过几次future/promise，但是还是十分生疏，所以决定学习下它的原理，用起来才更加顺畅。

查了很多资料，发现很多语言都有这个机制，但是关于C++的promise的资料却很少，只有一些使用的教程，而没有找到原理方面的。

“源码之前，了无秘密。”

所以还是决定从源码入手学习！

本文针对的源码是借鉴boost实现的版本，由于copyright的原因，就不贴出完整的源码了，需要学习的朋友可以参见boost的实现。

关于future/promise的简介，参见我之前写的一篇博文：

http://blog.youkuaiyun.com/jiange_zh/article/details/51602938

一、基于Future/Promise的异步同步化编程依赖的组件

1. bind和callback，类似与boost库的bind和function；
2. shared_ptr、scoped_ptr、tuple、exception，参考boost库中的shared_ptr、scoped_ptr、tuple、exception实现；
3. Future和Promise，借鉴boost库的future设计思想；
4. when_all，通过Future、Promise、tuple来实现，针对异步并行的同步化。

二、Function和Bind的用法

参见我之前写的一篇博文：

http://blog.youkuaiyun.com/jiange_zh/article/details/51598580

下面提到的bind类似于boost的bind，而Callback类似于Function，一般跟bind搭配使用。

三、shared_ptr、scoped_ptr、tuple

shared_ptr：引用计数。

scoped_ptr：不可转移所有权。

Tuple：很多的时候我们需要为函数返回多个值，我们可以使用class或struct来封装要返回的多个值，然后返回封装struct或class，但是使用这种方法的弊端就是增加的程序的代码量，最好是能通过一种匿名的struct或class来解决这个问题。Boost::tuple就为我们提供了一种类似于匿名struct的方法为我们解决函数的多个返回值的问题。既增强了代码的可读性又不增加代码量。其实std::pair就是boost::tuple的2个参数的特例，对boost::tuple你可以绑定更多的参数，或者你可以迭代实现无限多参数的情况。

四、EnableSharedFromThis

使用boost库时，经常会看到如下的类：

class A:public enable_share_from_this<A>

在什么情况下要使类A继承enable_share_from_this？

使用场合 ：当类A被share_ptr管理，且在类A的成员函数里需要把当前类对象作为参数传给其他函数时，就需要传递一个指向自身的share_ptr。

我们就使类A继承enable_share_from_this，然后通过其成员函数 share_from_this()返回当指向自身的share_ptr。

以上有2个疑惑：

1.把当前类对象作为参数传给其他函数时，为什么要传递share_ptr呢？直接传递this指针不可以吗？

一个裸指针传递给调用者，谁也不知道调用者会干什么？假如调用者delete了该对象，而share_tr此时还指向该对象。

2.这样传递share_ptr可以吗？share_ptr< this >

这样会造成2个非共享的share_ptr指向一个对象，最后造成2次析构该对象。

boost官方文档中一个非常典型的例子：

http://www.boost.org/doc/libs/1_55_0/doc/html/boost_asio/tutorial/tutdaytime3/src.html

部分代码：

 1 class tcp_connection
 2   : public boost::enable_shared_from_this<tcp_connection>
 3 {
 4 public:
 5   typedef boost::shared_ptr<tcp_connection> pointer;
 6 
 7   static pointer create(boost::asio::io_service& io_service)
 8   {
 9     return pointer(new tcp_connection(io_service));
10   }
11 
12   tcp::socket& socket()
13   {
14     return socket_;
15   }
16 
17   void start()
18   {
19     message_ = make_daytime_string();
20 
21     boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(message_),
22         boost::bind(&tcp_connection::handle_write, shared_from_this(),
23           boost::asio::placeholders::error,
24           boost::asio::placeholders::bytes_transferred));
25   }
26 
27 private:
28   tcp_connection(boost::asio::io_service& io_service)
29     : socket_(io_service)
30   {
31   }
32 
33   void handle_write(const boost::system::error_code& /*error*/,
34       size_t /*bytes_transferred*/)
35   {
36   }
37 
38   tcp::socket socket_;
39   std::string message_;
40 };

类tcp_connection继承enable_share_from_this，在22行里，它的成员函数start()，通过share_from_this返回指向自身的share_ptr。

五、Future和Promise

5.1 简介

Promise对象可保存T类型的值，该值可被future对象读取(可能在另一个线程中)，这是promise提供的同步的一种手段。

在构造promise时，promise对象可以与共享状态关联起来，这个共享状态可以存储一个T类型或者一个由std::exception派生出的类的值，并可以通过get_future来获取与promise对象关联的对象，调用该函数之后，