C++11中std::future的使用详解和实战示例

在 C++11 中，std::future 是标准库中的一个强大工具，用于实现异步任务获取返回值。它与 std::async、std::promise 搭配使用，能够从并发任务中安全获取结果，是线程通信和异步执行的核心组件之一。

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一、std::future 是什么？

• 它表示一个异步操作的结果，用于获取尚未完成任务的值。
• 通常与 std::async 或 std::promise 搭配使用。
• std::future<T>：未来某个时间点将拥有一个类型为 T 的结果。

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二、典型使用场景

场景一：std::async + std::future（最常见，简单）

异步执行一个函数，主线程稍后使用 future.get() 获取其结果。

场景二：std::promise + std::future（手动控制结果传递）

适用于线程中产生结果、异常或信号时主动传递给主线程。

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三、基础示例（使用 std::async）

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

// 一个耗时函数
int slow_add(int a, int b) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    return a + b;
}

int main() {
    std::cout << "Starting async task...\n";

    // 启动异步任务，立即返回 std::future 对象
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, slow_add, 3, 4);

    std::cout << "Doing other work...\n";

    // 等待结果并获取（阻塞）
    int value = result.get();

    std::cout << "Result: " << value << std::endl;
    return 0;
}

输出：

Starting async task...
Doing other work...
Result: 7

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四、控制异步启动策略

std::future<int> f1 = std::async(std::launch::async, func);   // 异步立即启动线程
std::future<int> f2 = std::async(std::launch::deferred, func); // 延迟执行（在 get() 时运行）
std::future<int> f3 = std::async(std::launch::async | std::launch::deferred, func); // 默认行为

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五、std::promise 搭配 std::future

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

void calculate(std::promise<int> p) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    p.set_value(42);  // 设置结果
}

int main() {
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();  // 获取 future

    std::thread t(calculate, std::move(prom));  // 线程中设置值

    std::cout << "Waiting for result..." << std::endl;
    int result = fut.get();  // 阻塞等待结果

    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    t.join();
    return 0;
}

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六、常用函数说明

函数名	功能说明
future.get()	获取结果，阻塞直到就绪（只能调用一次）
future.wait()	阻塞直到任务完成
future.wait_for(dur)	超时等待
future.wait_until(tp)	等待到指定时间点
future.valid()	判断是否持有共享状态

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七、注意事项

• std::future::get() 只能调用一次，之后对象就失效（invalid）。
• 若 async 的函数抛出异常，该异常会被捕获，并在 get() 时重新抛出。
• std::future 不是线程安全的：多个线程不能同时访问同一个 future。

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八、进阶示例：多个任务并发执行并获取结果

#include <iostream>
#include <vector>
#include <future>

int work(int id) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100 * id));
    return id * id;
}

int main() {
    std::vector<std::future<int>> results;

    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        results.push_back(std::async(std::launch::async, work, i));
    }

    for (auto& fut : results) {
        std::cout << "Result: " << fut.get() << std::endl;
    }

    return 0;
}

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九、数据预处理并行化综合示例

应用场景示例：点云数据批量预处理（并发执行）

假设有大量点云块（或图像帧）需要执行滤波、去噪、下采样等操作，顺序执行较慢。可以使用 std::async 启动多个线程并行处理每个数据块。

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示例代码：点云块并行处理

#include <iostream>
#include <vector>
#include <future>
#include <random>
#include <chrono>

// 假设每个点云块是一个 vector<float>
using PointCloudBlock = std::vector<float>;

// 模拟预处理函数（如滤波、下采样等）
PointCloudBlock preprocessBlock(const PointCloudBlock& input, int blockId) {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 模拟耗时
    PointCloudBlock result = input;
    for (auto& p : result) {
        p *= 0.9f; // 模拟处理
    }
    std::cout << "Block " << blockId << " processed\n";
    return result;
}

int main() {
    const int blockCount = 8;

    // 模拟 8 个点云块
    std::vector<PointCloudBlock> inputBlocks(blockCount, PointCloudBlock(1000, 1.0f));

    std::vector<std::future<PointCloudBlock>> futures;

    // 并发预处理每个块
    for (int i = 0; i < blockCount; ++i) {
        futures.push_back(std::async(std::launch::async, preprocessBlock, inputBlocks[i], i));
    }

    // 收集结果
    std::vector<PointCloudBlock> processedBlocks;
    for (auto& fut : futures) {
        processedBlocks.push_back(fut.get());
    }

    std::cout << "All blocks processed.\n";
    return 0;
}

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多线程处理的好处

优点	说明
提高吞吐	并发预处理多个任务，CPU 多核资源充分利用
无需额外线程池	使用 std::async 自动调度线程
支持异常处理	若某个任务异常，future.get() 时可捕获
易于封装	可以包装为模块，适用于图像/点云/文本等任意数据

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十、小结：何时用 future

• 想让线程返回值给主线程。
• 想延迟执行某个任务。
• 需要对异步任务的结果、超时、异常处理。
• 实现任务通信（如 promise 设置结果、主线程读取）。

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