C++并发编程与函数式：std::async和std::future的高效使用

# 1. C++并发编程基础

C++并发编程是现代软件开发中一个强大的工具，它允许程序的多个部分同时执行，以提高效率和响应性。在本章中，我们将介绍并发编程的基本概念和C++中实现并发的主要机制。

## 1.1 理解并发和多线程

并发是一种编程技术，它允许多个计算过程同时进行。在C++中，这通常意味着使用多个线程。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

## 1.2 C++中的并发工具

C++提供了一系列的并发工具，包括`<thread>`, `<mutex>`, `<condition_variable>`等头文件中定义的类型和函数。使用这些工具，程序员可以创建线程，同步线程间的数据访问，以及在多个线程间传递信息。

## 1.3 线程的创建与管理

创建线程通常涉及声明一个`std::thread`对象，并将其与一个可调用对象（如函数或lambda表达式）关联起来。管理线程包括启动、同步（例如，使用`std::mutex`）以及线程结束后确保资源得到妥善释放。

下面是一个简单的示例，展示了如何创建和启动一个线程：

#include <thread>

void printHello() {
  std::cout << "Hello from the second thread!\n";
}

int main() {
  std::thread t(printHello);
  t.join(); // 等待线程执行结束
  return 0;
}

在这个例子中，`printHello`函数在另一个线程中被调用。`main`函数中创建了线程`t`，并等待它执行完成，然后主线程才继续往下执行。这是并发编程中最基本的操作之一，为后续更复杂的并发策略打下了基础。

本章内容提供了并发编程的入门知识，为接下来深入探讨C++并发特性和模式奠定了基础。在后续章节中，我们将进一步探讨如何通过`std::async`和`std::future`等高级特性来简化并发编程的工作。

# 2. 理解std::async和std::future

在这一章节中，我们将深入探讨C++标准库中的异步编程工具：`std::async`和`std::future`。我们将会了解如何使用`std::async`来启动异步任务，并通过`std::future`来检索任务结果。同时，本章将通过代码示例，表格以及流程图等多种方式，帮助读者更好地理解和应用这些并发工具。

## 2.1 std::async的启动策略

`std::async`是一个非常灵活的并发启动机制，它允许程序在后台启动一个异步任务，并返回一个`std::future`对象。通过这个对象，我们可以在将来的某个时刻获取异步任务的结果。理解`std::async`的启动策略对于编写高效的并发程序至关重要。

### 2.1.1 线程池的内部机制

在现代C++中，`std::async`通常会使用一个全局的线程池来管理异步任务。线程池是一种资源管理技术，它预先创建一组线程，并将这些线程保存在池中。当有异步任务提交时，线程池会将任务分配给空闲的线程执行，而不需要每次都创建新的线程。

**线程池的优势**:

- **资源重用**：线程的创建和销毁是一个相对昂贵的操作，线程池可以重用线程资源，提高性能。
- **负载均衡**：通过合理分配任务到空闲线程，可以减少任务完成时间。
- **限制并发数**：线程池可以限制同时运行的线程数量，避免资源过度消耗。

#include <future>
#include <iostream>

int main() {
    // 使用std::async启动一个异步任务
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, []() {
        // 异步任务：计算1到10的和
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    });

    // 获取异步任务的结果
    int sum = result.get(); 
    std::cout << "The sum is: " << sum << std::endl;
    return 0;
}

在上面的示例代码中，`std::async`函数会启动一个异步任务来计算1到10的和，并且返回一个`std::future<int>`对象。通过调用`result.get()`，主线程会等待异步任务完成并获取其结果。

### 2.1.2 异步启动的参数和返回值

`std::async`函数可以接受多个参数，其中最重要的参数包括：

- `std::launch policy`: 指定启动策略，可以是`std::launch::async`表示立即异步启动，`std::launch::deferred`表示延迟启动，或两者结合。
- `Function`: 一个可调用对象，如函数指针、lambda表达式或其他函数对象。
- `Args...`: 要传递给可调用对象的参数。

返回值为`std::future<T>`对象，其中`T`是可调用对象返回值的类型。

std::future<T> result = std::async(std::launch::async | std::launch::deferred, func, arg1, arg2, ...);

**启动策略分析**:

- `std::launch::async`: 强制异步启动，即立即在新的线程中执行任务。
- `std::launch::deferred`: 延迟启动，即函数调用将被推迟到结果首次请求时。
- 同时使用`std::launch::async | std::launch::deferred`时，启动策略将由实现定义，这提供了灵活性。

## 2.2 std::future的基本用法

`std::future`是C++并发编程中一个重要的类模板，它用于获取异步任务的结果。通过`std::future`，我们可以查询异步操作的状态，等待任务完成，以及检索操作的结果。

### 2.2.1 future的值获取和异常处理

使用`std::future`获取值的一种常见方式是调用`get()`方法。`get()`会阻塞调用线程直到异步任务完成，然后返回结果。如果异步任务抛出异常，`get()`会重新抛出该异常。

try {
    int result = future.get();  // 阻塞直到任务完成，获取结果
} catch(const std::exception& e) {
    // 异步任务抛出的异常会被重新抛出
    std::cerr << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
}

### 2.2.2 future的状态管理

`std::future`提供了几个方法用于管理异步操作的状态，如`wait()`和`wait_for()`，`wait_until()`。

- `wait()`: 等待异步任务完成，不返回任何结果。
- `wait_for()`: 等待指定的时间段。
- `wait_until()`: 等待至指定的时间点。

这些方法允许我们在不确定任务何时完成时，实现非阻塞式的等待。

std::future_status status;
do {
    status = future.wait_for(std::chrono::seconds(1));
    if (status == std::future_status::ready) {
        std::cout << "Task completed." << std::endl;
        break;
    } else if (status == std::future_status::timeout) {
        std::cout << "Timed out waiting for task." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Task still in progress." << std::endl;
    }
} while (status != std::future_status::ready);

在以上代码示例中，我们尝试等待异步任务完成。如果任务在1秒内完成，我们打印出相应的信息。如果超时，我们打印超时信息；如果任务仍在进行中，我们打印出相应的信息继续等待。

## 2.3 异步任务的协作和同步

在并发编程中，任务之间可能需要同步操作，比如根据一个任务的输出来启动另一个任务，或者需要等待多个异步任务完成后再继续执行。`std::async`和`std::future`提供了多种机制来处理这些协作和同步的需求。

### 2.3.1 任务间的依赖关系

有时，一个异步任务的执行依赖于另一个任务的结果。在这种情况下，我们可以将`std::future`对象传递给另一个异步任务，以保证任务的执行顺序。

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

int main() {
    auto future1 = std::async(std::launch::async, []() {
        // 计算一个值
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        return 42;
    });

    // 第二个任务依赖于第一个任务的结果
    auto future2 = std::async(std::launch::async, [future1]() {
        int value = future1.get(); // 等待第一个任务完成
        // 基于第一个任务的结果进行操作
        std::cout << "Received value from future1: " << value << std::endl;
        // 返回新任务的结果
        return value + 1;
    });

    int finalResult = future2.get();
    std::cout << "Final result: " << finalResult << std::endl;

    return 0;
}

### 2.3.2 future与共享状态的同步

异步任务可以共享同一个状态，这样当一个任务完成时，其他任务就可以获取结果。这是通过`std::promise`和`std::future`之间的关联实现的。

#include <future>
#include <iostream>

int main() {
    std::promise<int> promise;
    std::future<int> future = promise.get_future();

    std::thread producer([&promise]() {
        // 生产者设置共享状态的值
        promise.set_value(42);
    });

    std::thread consumer([&future]() {
        // 消费者等待共享状态的值
        int result = future.get();
        std::cout << "Received result: " << result << std::endl;
    });

    producer.join();
    consumer.join();

    return 0;
}

以上示例展示了如何使用`std::promise`和`std::future`创建一个同步点。生产者线程会设置一个值，而消费者线程会等待这个值，一旦值被设置，消费者线程会继续执行。

# 3. std::async和std::future的高级技巧

在探索并发编程的道路上，C++ 提供的 `std::async` 和 `std::future` 是实现任务异步执行的重要工具。本章节将深入探讨这两个组件的高级用法，通过这些技巧，开发者可以更有效地控制并发任务的执行，处理并发任务中的复杂场景。

## 3.1 并发任务的错误处理

错误处理是任何并发编程模型中不可忽视的一部分。使用 `std::async` 和 `std::future` 可以优雅地处理并发任务中出现的异常情况。

### 3.1.1 异常的传播与捕获

在并发执行的任务中，异常的传播和捕获是确保程序健壮性的关键步骤。`std::async` 返回一个 `std::future` 对象，该对象提供了 `.get()` 方法来获取任务的返回值或捕获异常。

#include <iostream>
#include <future>
#include <thr