C++ 中 async、packaged_task、promise 区别及使用

Introduction

编程难,多线程编程更难 – 鲁迅

多线程编程,如此令人着迷、令人痛恨的字眼。人类为了追求更好的效率、更快的速度,非常残忍的发明了多线程编程,这不仅让写代码的难度陡增,同时也加快了头发掉落的速度,写到这时,我不禁感觉头上又凉了一些。

最近,我一脚踏进了 C++ 多线程编程的海洋中,在各种 std::threadstd::condition_variablestd::mutuxstd::unique_lockstd::async 等等中挣扎徘徊。并且,同事告诉我,这些小玩意只能算是餐前开胃菜,后面还有更棒棒的东西在等我,比如内存模型、无锁编程等等。听到着,我紧张地打开我的保温杯,多抓了一把枸杞放了进去。

饭要一点一点的吃,知识要一点一点的学。在学习过程中,我对 async、packated_task、promise 这仨的区别、以及应该在什么场景使用它们,都相当的困惑。在查阅了一些资料后,我按照个人理解总结了这篇文章。希望能够帮助到一些和我有一样疑问的小朋友们。当然,作为一名菜鸡,文章不可以避免会出现错误,也希望各位大佬指正。

使用方法

std::asyncstd::packaged_taskstd::promise 们都被安排在 《C++ Concurrency In Action》的 4.2 章,它们都能拿到一个 std::future。这些相似的地方是最初让我困惑地方,它们似乎有所区别,但是一开口却又具体说不上来。

我们先回顾下 std::asyncstd::packaged_taskstd::promise 的基本使用。首先从最直观的使用方式上来感受它们的差别。

std::async

当不着急要任务结果的时候,可以使用 std::async 启动一个异步任务,std::async 返回一个 std::future 对象,std::future 对象中存放着最终计算的结果。
一切都这么简单,这是获取 std::future 最简洁的方式。

当需要最终结果时,调用 std::future::get() 方法即可,该方法会阻塞线程直到期望值状态就绪为止。下面的代码是个简单例子:

#include <future>
#include <iostream>
int find_the_answer_to_ltuae();
void do_other_stuff();
int main()
{
    std::future<int> the_answer=std::async(find_the_answer_to_ltuae);
    do_other_stuff();
    std::cout<<"The answer is "<<the_answer.get()<<std::endl;
}

std::async 并不总会开启新的线程来执行任务,你可以指定 std::launch::async 来强制开启新线程

auto f = std::async(std::launch::async, func);

值得注意的是,std::future 析构函数会阻塞,直到线程结束。通常我们认为 std::future::get()std::future::wait() 才会阻塞,析构函数同样也会,这一点需要特别小心。

auto sleep = [](int s) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(s)); };
{
    auto f = std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 开启一个异步任务,睡眠 5s
    // future 对象析构,等待睡眠结束
}

如果 std::future 被存放在一个临时对象中,那么std::async会立马阻塞,因为临时对象在返回后立马被析构了。例如下面的代码中将会阻塞 10s,但是如果加上 auto f = 那么只会阻塞 5s

auto sleep = [](int s) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(s)); };

{
    std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 临时对象被析构,阻塞 5s
    std::async( std::launch::async, sleep, 5 ); // 临时对象被析构,阻塞 5s
    
    //auto f1 = std::async( std::launch::async, sleep, 5 );
    //auto f2 = std::async( std::launch::async, sleep, 5 );
}

std::packaged_task

std::packaged_task 本身和线程没啥关系,它只是一个关联了 std::future 的仿函数。看下面这个例子:

auto task = [](int i) { 
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); return i+100; 
};

std::packaged_task< int(int) > package{ task };
std::future<int> f = package.get_future();
package(1);
std::cout << f.get() << "\n";

我们调用 package(1) 就开始执行函数,就像执行了 task(1) 一样。运行结束后,f 已经处在就绪转态,因此 .get() 并不会阻塞。

因为 std::packaged_task 是个仿函数,我们用它来创建 std::thread,并通过 std::future 来获取运行的结果,看这个例子:

std::packaged_task< int(int) > package{ task };
std::future<int> f = package.get_future();
std::thread t { std::move(package), 5 };

std::cout << f.get() << std::endl; // 阻塞,直到线程 t 结束

t.join();

可以看到,std:packaged_task 的使用稍微麻烦一些,需要显式的调用或者传递给std::thread进行异步调用,但其具有更加灵活的控制调用方式,并且可以选择什么时间开始任务,而 std::async 则是一旦调用立马开始执行,并且直接调用 std::async()中临时变量析构的导致阻塞的坑,std::packaged_task 没有。

需要注意的是,一定过一定要在调用 f.get() 之前,执行了 std::packaged_task,否则你的程序会一直阻塞在那:

std::packaged_task<int(int,int)> task(...);
auto f = task.get_future();
std::cout << f.get() << "\n"; // oops!
task(2,3);

std::promise

std::promise 是一种非常强大的机制。例如,你可以将一个值传递给新进程,而不需要任何额外的同步操作。

auto task = [](std::future<int> i) {
    std::cout << i.get() << std::flush; // 阻塞,直到 p.set_value() 被调用
};

std::promise<int> p;
std::thread t{ task, p.get_future() };

std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
p.set_value(5);

t.join();

自顶向下

介绍完如何使用,现在我们来思考 std::asyncstd::packaged_taskstd::promise 之间的关系。总体来说,std::async 接口最简单,做的事情最多,抽象程度最高;std::packaged_task,抽象程度次之,需要额外的操作但却比较灵活;std::promise 功能最为单一,是三者中抽象程度最低的。

我们用 std::packaged_task 来实现 std::async 的功能:

std::future<int> my_async(function<int(int i)> task, int i)
{
    std::packaged_task<int(int)> package{task};
    std::future<int> f = package.get_future();

    std::thread t(std::move(package), i);
    t.detach();
    return f;
}

int main()
{
    auto task = [](int i) { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5)); return i+100; };

    std::future<int> f = my_async(task, 5);
    std::cout << f.get() << std::endl;
    return 0;
}

在 0 处通过 std::packaged_task::get_future 获得一个 std::future 用于返回;1 处我们将std::packaged_task 用新线程启动,等于 std::async 中使用了 std::launch::async 参数; 在 2 处,无需等待新线程运行结束,因此直接.detach() 线程。可以看到,std::packaged_task 完全可以实现 std::async 的全部功能,并且返回的 std::future 并不会在析构的时候阻塞。

接下来我们用 std::promise 来实现 std::packaged_task

template <typename> class my_task;

template <typename R, typename ...Args>
class my_task<R(Args...)>
{
    std::function<R(Args...)> fn;
    std::promise<R> pr;             // the promise of the result
public:
    template <typename ...Ts>
    explicit my_task(Ts &&... ts) : fn(std::forward<Ts>(ts)...) { }

    template <typename ...Ts>
    void operator()(Ts &&... ts)
    {
        pr.set_value(fn(std::forward<Ts>(ts)...));  // fulfill the promise
    }

    std::future<R> get_future() { return pr.get_future(); }

    // disable copy, default move
};

这个简易版的 my_taskstd::packaged_task 使用上没啥区别,内部用了 std::promise 来获取 std::future,在 operator() 中通过 std_value() 方法来传递数据,让 std::future 处于就绪状态。

总结

通过上面的描述,你应该对如何使用,以及它们之间的层级关系有一定了解了。总结一下:

  • std::async 来做简单的事情,例如异步执行一个任务。但是要注意 std::future 析构阻塞的问题。
  • std::packaged_task 能够很轻松的拿到 std::future,选择是否配合 std::thread 进行异步处理。同时没有析构阻塞的问题。
  • std::promise 是三者中最底层的能力,可以用来同步不同线程之间的消息

C++ 中 async、packaged_task、promise 区别及使用

<think>好的,我现在需要详细系统地介绍C++中的std::asyncstd::packaged_taskstd::promise多线程中的作用。首先,我得回忆一下这三个组件的基本概念和它们之间的区别。可能用户之前已经问过packaged_task的问题,现在希望更全面地了解这三个工具。 首先,std::async是用来异步执行函数的,它返回一个future对象,可以自动管理线程的创建和任务的执行。用户可能想知道它和其他两个的区别,比如是否自动启动线程,异常处理等。 接下来是std::packaged_task,它包装了一个可调用对象,允许将任务传递给其他线程,并通过future获取结果。之前已经详细讲过packaged_task,这里需要简要回顾,但重点放在与asyncpromise的对比上。 然后是std::promise,它允许显式设置值或异常,通常与future配对使用,用于更底层的结果传递。可能需要解释promise如何手动控制结果的设置,适合复杂场景。 接下来要考虑它们的共同点和不同点。三者都涉及future和promise模式,但抽象层次不同。async更高级,自动管理线程;packaged_task是任务包装器,需要显式运行;promise是最底层的,需要手动设置结果。 需要分点详细说明每个组件的作用、使用场景、优缺点,可能还要比较它们的异同。比如,async适合简单的异步任务,而promise适用于需要从多个线程设置结果的情况,或者回调函数中传递结果。 另外,需要注意用户可能希望了解如何选择这三个工具,比如在什么情况下用哪个更合适。需要举一些例子,比如使用async快速执行任务,使用packaged_task将任务放入队列,使用promise处理线程间复杂的结果传递。 还要注意异常处理,三者如何处理异常,特别是promise需要显式设置异常,而asyncpackaged_task会自动捕获异常并传递到future。 可能还需要讨论线程管理,比如async的启动策略(deferred vs async),packaged_task需要手动移动到线程,promise可以在任何线程设置值。 最后,总结三者之间的关系和适用场景,帮助用户理解如何根据需求选择合适的工具。 现在需要组织这些内容,结构清晰,分点讲解每个组件,然后比较它们的异同,再给出使用建议和示例。确保使用正确的中文术语,避免技术术语错误,同时保持解释的准确性和易懂性。</think>以下是关于C++中`std::async`、`std::packaged_task`和`std::promise`的详细系统解析,重点阐述它们在多线程中的作用、差异及适用场景: --- ### 一、核心目标 三者均基于 **Future/Promise 模式**,实现 **异步计算** 与 **结果传递** 的解耦,但抽象层级和适用场景不同: | 组件 | 抽象层级 | 核心能力 | 适用场景 | |---------------------|------------|---------------------------|----------------------------| | `std::async` | 最高 | 自动管理线程和任务 | 快速启动简单异步任务 | | `std::packaged_task`| 中间 | 封装任务为可移动对象 | 需要显式控制任务调度的场景 | | `std::promise` | 最低 | 完全手动控制结果传递 | 复杂异步逻辑或跨线程协作 | --- ### 二、`std::async`:自动化异步任务 #### 1. 核心特性 - **一键启动**:通过函数调用直接启动异步任务。 - **自动线程管理**:根据策略(`std::launch::async`或`std::launch::deferred`)决定立即创建线程或延迟执行。 - **隐式结果绑定**:返回`std::future`自动绑定到异步结果。 #### 2. 代码示例 ```cpp #include <future> #include <iostream> int compute(int x) { return x * x; } int main() { auto future = std::async(std::launch::async, compute, 42); // 主线程可继续执行其他操作... std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl; // 阻塞等待结果 } ``` #### 3. 关键行为 - **异常传递**:函数中的异常会通过`future.get()`抛出。 - **资源释放**:future析构时会隐式等待任务完成(若未分离线程)。 #### 4. 适用场景 - 快速执行不依赖线程资源的任务。 - 需要简洁代码实现异步计算。 --- ### 三、`std::packaged_task`:可移动的任务容器 #### 1. 核心特性 - **显式任务封装**:将函数/可调用对象包装为可移动对象。 - **手动调度控制**:需要显式传递任务到线程或线程池。 - **结果绑定**:通过`get_future()`获取关联的`std::future`。 #### 2. 代码示例 ```cpp #include <future> #include <thread> #include <queue> std::queue<std::packaged_task<int()>> task_queue; void worker() { while (!task_queue.empty()) { auto task = std::move(task_queue.front()); task_queue.pop(); task(); // 执行任务,结果自动存储到future } } int main() { std::packaged_task<int()> task([]{ return 42 * 42; }); auto future = task.get_future(); task_queue.push(std::move(task)); std::thread th(worker); th.detach(); std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl; } ``` #### 3. 关键行为 - **资源所有权**:任务对象必须通过`std::move`传递。 - **延迟执行**:任务可存储在队列中,按需调度。 #### 4. 适用场景 - 需要将任务排队或批量提交到线程池。 - 需要灵活控制任务执行时机。 --- ### 四、`std::promise`:手动的结果传递通道 #### 1. 核心特性 - **完全手动控制**:通过`set_value()`/`set_exception()`显式传递结果。 - **多线程协作**:可在任意线程设置结果,与任务执行线程解耦。 - **多结果绑定**:一个`promise`可生成多个`future`(通过`shared_future`)。 #### 2. 代码示例 ```cpp #include <future> #include <thread> void compute(std::promise<int>&& prom) { try { int result = 42 * 42; prom.set_value(result); // 显式设置结果 } catch (...) { prom.set_exception(std::current_exception()); // 传递异常 } } int main() { std::promise<int> prom; auto future = prom.get_future(); std::thread th(compute, std::move(prom)); th.detach(); std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl; } ``` #### 3. 关键行为 - **结果生命周期**:`promise`和`future`需保证结果传递期间的有效性。 - **灵活异常处理**:可手动捕获并传递异常。 #### 4. 适用场景 - 需要跨多个线程设置结果(如回调函数)。 - 需要实现自定义的异步通信协议。 --- ### 五、对比总结 | 特性 | `std::async` | `std::packaged_task` | `std::promise` | |---------------------|-------------------------|---------------------------|---------------------------| | **线程管理** | 自动 | 手动(需传递到线程) | 完全手动 | | **结果传递方式** | 隐式(自动绑定) | 半自动(任务执行后存储) | 显式(手动设置) | | **任务封装** | 直接绑定函数 | 封装为可移动对象 | 无封装,需手动关联 | | **灵活性** | 低 | 中 | 高 | | **典型场景** | 简单的一次性异步任务 | 任务队列/线程池调度 | 跨线程协作/复杂回调 | --- ### 六、选择指南 1. **优先使用`std::async`**: - 当任务简单且无需精细控制线程时。 - 示例:后台计算、文件读取等独立任务。 2. **选择`std::packaged_task`**: - 需要将任务存储到容器或跨线程传递时。 - 示例:线程池任务队列、批量任务调度。 3. **使用`std::promise`**: - 需要完全控制结果传递或跨多线程协作时。 - 示例:自定义事件循环、复杂回调链、多生产者单消费者模型。 --- ### 七、综合示例:混合使用三者 ```cpp #include <future> #include <thread> #include <vector> // 使用async快速启动任务 auto fetch_data() { return std::async([]{ return "Data from network"; }); } // 使用packaged_task管理任务队列 void process_data(std::packaged_task<std::string()> task) { task(); } // 使用promise处理回调 void save_to_db(const std::string& data, std::promise<bool> prom) { try { // 模拟数据库操作 prom.set_value(true); } catch (...) { prom.set_exception(std::current_exception()); } } int main() { // 1. async获取数据 auto data_future = fetch_data(); // 2. packaged_task处理数据 std::packaged_task<std::string()> process_task([&]{ return data_future.get() + " processed"; }); auto processed_future = process_task.get_future(); std::thread th1(std::move(process_task)); th1.join(); // 3. promise处理存储结果 std::promise<bool> save_prom; auto save_future = save_prom.get_future(); std::thread th2(save_to_db, processed_future.get(), std::move(save_prom)); th2.detach(); if (save_future.get()) { std::cout << "Complete!" << std::endl; } } ``` --- ### 八、关键注意事项 1. **线程安全**: - `promise`和`future`的非const方法非线程安全。 2. **生命周期管理**: - 确保`promise`对象在设置结果前有效。 3. **异常处理**: - 未处理的异常会导致`std::future_error`。 4. **性能考量**: - `std::async`默认策略可能延迟执行,需显式指定`std::launch::async`。 通过合理组合这三个工具,可以实现从简单到复杂的多线程异步编程需求。
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