C++ future 与 promise

C++ future与promise

介绍

future和promise是C++11引入的线程同步工具，用于在不同线程间传递异步操作结果。它们提供了一种更高级的线程通信机制，避免了显式使用锁带来的复杂性。

• promise：生产者线程通过promise对象存储值或异常
• future：消费者线程通过future对象获取promise设置的值或异常

这种机制实现了线程间的数据通道，特别适合需要返回结果的异步任务场景。

基本用法

promise基础

promise模板类提供set_value()和set_exception()方法：

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

void producer(std::promise<int>&& prom) {
    prom.set_value(42);  // 设置值
}

int main() {
    std::promise<int> prom;
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    
    std::thread t(producer, std::move(prom));
    
    std::cout << "Received: " << fut.get() << std::endl;
    t.join();
}

输出：

Received: 42

future状态

future有三种状态：

• Deferred：尚未开始的计算
• Ready：值/异常已就绪
• Timeout：等待超时

高级特性

共享future

当多个线程需要等待同一结果时，可使用shared_future：

std::promise<int> prom;
std::shared_future<int> shared_fut = prom.get_future().share();

// 多个线程可以复制shared_future并调用get()

异常传递

promise可以传递异常：

try {
    // 可能抛出异常的代码
} catch(...) {
    prom.set_exception(std::current_exception());
}

实际案例

并行计算

计算斐波那契数列的并行实现：

int fib(int n) {
    if (n < 2) return n;
    return fib(n-1) + fib(n-2);
}

int parallel_fib(int n) {
    std::promise<int> prom;
    auto fut = prom.get_future();
    
    std::thread([&prom, n]{
        prom.set_value(fib(n));
    }).detach();
    
    return fut.get();
}

任务管道

使用future实现生产者-消费者模式：

graph LR Producer-->|promise|Channel Channel-->|future|Consumer

时间约束操作

future支持超时等待：

auto status = fut.wait_for(std::chrono::seconds(1));
if (status == std::future_status::ready) {
    // 操作完成
}

数学表达

future/promise可视为单值通信通道：

$promise\stackrel{set\mathrm{\_}value}{\to }future\stackrel{get}{\to }value$

最佳实践

• 避免多次调用get()，会导致未定义行为
• 使用std::async简化future创建
• 对共享结果使用shared_future
• 总是处理可能的异常

总结

future/promise机制提供了：

• 线程安全的异步结果传递
• 异常传播能力
• 灵活的等待策略
• 比条件变量更高级的抽象

正确使用可以显著简化多线程程序的设计，同时保持高效性和安全性。