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C++并发编程之三 并发操作的同步

news 来源：原创 2024/5/18 19:03:46

文章目录

  • 1. 等待事件或等待其他条件
    • 1.1 凭借条件变量等待条件成立
      • 1.1.1 std::condition_variable
      • 1.1.2 std::condition_variable_any
      • 1.1.3 std::condition_variable和std::condition_variable_any之间的区别
    • 1.2 使用future等待一次性事件发生
      • 1.2.1 从后台返回任务结果
      • 1.2.2 关联future实例和任务
      • 1.2.3 创建std::promise
      • 1.2.4 将异常保存到future中
      • 1.2.5 多个线程一起等待目标事件完成
    • 1.3 限时等待
      • 1.3.1 时钟类
      • 1.3.2 时长类
      • 1.3.3 时间点类

  1. 上个章节我们讨论了如何对共享数据的一个保护，通过std::lock_guard、std::unique_lock、初始化过程中使用std::call_once、std::once_flag、多个线程读取少量线程写入的时候使用std::shared_lock、std::unique_lock和std::shared_mutex或std::shared_timed_mutex搭配使用，还有单线程递归加锁的方式std::recursive_mutex的使用方法。
  2. 但是有时候我们不仅需要保护共享数据，还需要令独立线程上的行为同步。那么本章节我们就来讲一下线程同步的几种方法。

1. 等待事件或等待其他条件

有的时候需要各个线程之间协同操作，比如A线程需要等待B线程完成某一个功能之后才开始执行，那么有没有什么办法，B线程完成功能之后通知A线程一声，然后A线程接受到信号之后就开始工作呢？肯定是有的。

1.1 凭借条件变量等待条件成立

那么就开始介绍std::condition_variable 和 std::condition_variable_any的使用。
std::condition_variable 和 std::condition_variable_any 是 C++ 中用于多线程同步的两个类。它们都允许线程在等待某个条件变为真之前挂起自己，以免造成无谓的 CPU 时间浪费。

1.1.1 std::condition_variable

std::condition_variable 是 C++11 中引入的一个线程同步原语，用于在等待某个条件变为真之前挂起当前线程。使用 std::condition_variable 时，通常需要先定义一个 std::mutex，因为std::condition_variable仅限于与std::mutex一起使用，然后用 std::unique_lockstd::mutex 对其进行上锁，最后通过 std::condition_variable::wait() 解锁并且挂起当前线程：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker_thread() {
    // 等待条件变为真
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) {
        cv.wait(lck);
    }

    // 条件已经变为真，执行一些操作
    // ...
    if (lck.owns_lock())
    {
        std::cout << "lck has locked" << std::endl;
    }
}

int main() {
    // 模拟某些操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));

    // 通知等待的线程条件已经变为真
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    std::thread t(worker_thread);
    t.join();
    return 0;
}

在上面的代码中，worker_thread() 函数等待 ready 变为 true，如果当前 ready 的值为 false，则调用 cv.wait(lck) 挂起当前线程，同时释放 lck。当 cv.notify_one() 被调用时，cv.wait(lck) 会返回，worker_thread() 函数会重新获得 lck，然后执行一些操作。

需要注意的是，由于 std::condition_variable::wait() 可能会出现虚假唤醒（即没有被 notify 也会从 wait() 函数中返回），因此在使用 std::condition_variable 时，通常需要将等待条件的语句用循环包围起来，以确保条件变为真时不会错过信号。
当然也可以这样写：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker_thread() {
    // 等待条件变为真
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, [&]() {return ready; }); 

    // 条件已经变为真，执行一些操作
    // ...
    if (lck.owns_lock())
    {
        std::cout << "lck has locked" << std::endl;
    }
}

int main() {
    // 模拟某些操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));

    // 通知等待的线程条件已经变为真
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    std::thread t(worker_thread);
    t.join();
    return 0;
}

在段代码里面使用了cv.wait(lock, [&]() { return ready; })进行等待条件成立。正好在此介绍一下std::condition_variable::wait()函数的用法:

std::condition_variable::wait()是一个用于等待通知的函数，其使用方式如下：

template< class Predicate > 
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred );

其中，lock是一个已经加锁的互斥量（必须是 std::unique_lock 类型），pred是一个可调用对象，用于判断等待条件是否满足。函数执行时会自动释放锁，并阻塞当前线程直到被通知。当线程被通知后，函数会重新获得锁，并重新检查等待条件。如果等待条件满足，函数返回；否则，函数再次进入阻塞状态等待下一次通知。
也就是如果pred返回true的时候，wait不会阻塞线程，而当pred返回false的时候，线程会进入休眠状态也就是阻塞，那什么时候苏醒呢？等待下一次notify_one或者notify_all的时候，再次检查pred的状态，如果pred返回true，那么wait苏醒不会阻塞线程。所以notify只会对阻塞休眠状态的线程起作用。
当没有pred函数的时候，wait就直接进行阻塞进入休眠状态，直到notify_one或这notify_all进行唤醒线程.

1.1.2 std::condition_variable_any

std::condition_variable_any 是 C++11 中引入的另一个线程同步原语，它的作用与 std::condition_variable 相同，但是可以与任何可锁定的互斥量（std::mutex、std::shared_mutex、std::recursive_mutex）等等一起使用。使用 std::condition_variable_any 时，需要先定义一个互斥量，然后使用 std::unique_lock 对其进行上锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable_any cv;
bool ready = false;

void worker_thread() {
    // 等待条件变为真
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
        while (!ready) {
            cv.wait(lck);
        }
    }

    // 条件已经变为真，执行一些操作
    // ...
    std::cout << "shared data" << std::endl;
}

int main() {
    // 模拟某些操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    // 通知等待的线程条件已经变为真
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    std::thread t(worker_thread);
    t.join();
    return 0;
}

注意：至于为什么能在main函数中使用std::lock_guard，而在worker_thread()函数中不能使用std::lock_guard，这是因为std::condition_variable或者std::condition_variable_any在等待操作的过程中要释放互斥量，如果使用 std::lock_guard，那么在等待操作期间就无法释放互斥量，从而无法满足 std::condition_variable 的要求。

std::unique_lock 比 std::lock_guard 更灵活，因为它允许在构造时不锁定互斥量，在析构时再解锁。这使得 std::unique_lock 可以用于实现一些更为复杂的同步操作，例如超时等待、可重入锁等。此外，std::unique_lock 还提供了一些额外的功能，例如手动锁定和解锁互斥量、转移互斥量的所有权等。

在使用 std::condition_variable或者std::condition_variable_any时，我们通常需要使用 std::unique_lock 来锁定互斥量，并在等待操作期间释放互斥量。这样可以让其他线程获得互斥量并修改共享变量，从而避免死锁的情况。

1.1.3 std::condition_variable和std::condition_variable_any之间的区别

std::condition_variable 和 std::condition_variable_any 都是用于多线程同步的 C++ 标准库类，它们的主要区别在于：

  • 适用范围：
    std::condition_variable 只能与 std::unique_lockstd::mutex 配合使用，而 std::condition_variable_any 可以与任何能够提供 lock() 和 unlock() 成员函数的互斥量配合使用，包括 std::mutex、std::recursive_mutex、std::shared_mutex 等等。
  • 实现细节：
    std::condition_variable_any 的实现可能比 std::condition_variable 更为复杂，因为它需要支持不同类型的互斥量，而且可能需要在等待队列中存储更多的信息来避免死锁和无效的等待。

综上所述，std::condition_variable 更为简单且更为常用，适用于绝大多数的同步场景。而 std::condition_variable_any 则更加灵活，适用于一些特殊的同步场景，例如需要使用不同类型的互斥量、需要跨线程进行等待和通知等。

1.2 使用future等待一次性事件发生

上面我们看到了std::condition_variable和std::condition_variable_any的使用，这种方式是一个线程A运行，另一个线程B在等待线程A释放信号之前，一直阻塞线程的运行。说明线程B依赖于线程A，如果线程A不释放，那么线程B一直阻塞。可是当我们遇到这种情况时，比如做饭的情形：我有没有办法一边煮饭，一边读书写博客呢？等我博客写完了之后，再去看一下饭有没有煮好。而不是非要我读完书再去一直等待煮饭，或者煮完饭再去写博客，这样的话就太浪费时间了。

1.2.1 从后台返回任务结果

当然是有办法的，我们可以使用std::future用于获取一个异步操作的结果。它可以让一个线程在执行一个耗时的操作时不必一直等待其完成，而是可以继续执行其他任务，并在需要时获取操作的结果。在使用std::future时，可以使用std::async函数或std::packaged_task对象来创建一个异步任务，该任务会在另一个线程中执行，并返回一个std::future对象，可以用来获取任务的结果。
示例如下：

#include <iostream>
#include <future>

int add(int x, int y) {

    return x + y;
}

int main() {
    // 使用std::async创建异步任务
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, add, 10, 20);
	//这里可以做其他事情，等事情做完了之后，查看一下异步线程的结果即可。
	//do other someting
	
    // 使用std::future获取异步任务的返回值
    int sum = result.get();

    // 输出异步任务的返回值
    std::cout << "The sum is: " << sum << std::endl;

    return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个add函数，用于计算两个整数的和。然后我们使用std::async创建一个异步任务，并将add函数和两个整数10和20作为参数传递给它。

接着，我们使用std::future的get()函数获取异步任务的返回值，即add函数的返回值。最后，我们将异步任务的返回值打印出来，以确认异步任务已经成功完成并返回了正确的结果。

在这里我们简单介绍一下std::async()函数：
std::async()函数是C++11标准库中的一个函数，可以用来实现异步操作。它可以在一个新的线程或者一个线程池中执行一个函数，并返回一个std::future对象，可以用来获取函数执行的结果或者检查函数是否执行完成。

#include <iostream>
#include <future>

int main() {
    // 使用 std::async() 函数在一个新线程中执行函数
    std::future<int> future_result = std::async([]() {
        std::cout << "New thread running..." << std::endl;
        return 42;
    });

    // 在主线程中获取函数执行的结果
    int result = future_result.get();

    std::cout << "Result: " << result << std::endl;

    return 0; 
    }

在上面的代码中，我们使用std::async()函数在一个新的线程中执行了一个匿名函数，该函数输出一条消息并返回一个整数值。std::async()函数返回一个std::future对象，我们可以使用get()方法获取函数执行的结果。最后，我们在主线程中输出了函数的返回值。

需要注意的是，std::async()函数有多种不同的执行策略，例如std::launch::async和std::launch::deferred等，它们会影响函数执行的方式和时间。
如下为std::launch::async 和 std::launch:deferred的详细说明：

  1. std::launch::async和std::launch::deferred都是std::async函数的执行策略参数，它们分别表示异步执行和延迟执行两种不同的执行方式。
  2. std::launch::async表示要求std::async函数在调用时立即在新的线程中执行函数，这种方式通常用于需要异步执行的任务，例如在后台处理一些耗时的计算任务。使用std::launch::async执行任务可以使主线程不必等待任务完成而继续执行其他工作。但需要注意的是，使用std::launch::async执行任务可能会导致程序使用的线程数增加，这可能会对系统资源产生一定的压力。
  3. std::launch::deferred表示要求std::async函数在调用get方法时才开始执行函数，这种方式通常用于需要延迟执行的任务。使用std::launch::deferred执行任务可以避免线程数增加，因为任务是在调用get方法时才开始执行，这时通常会在主线程中执行。但需要注意的是，使用std::launch::deferred执行任务可能会导致调用get方法时阻塞主线程，直到任务完成为止。

示例如下：

#include <iostream>
#include <future>

int compute() {
    std::cout << "Task started..." << std::endl;
    // 模拟一个耗时的操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    std::cout << "Task finished!" << std::endl;
    return 42; }

int main() {
    std::future<int> future_result1 = std::async(std::launch::async, compute);
    std::future<int> future_result2 = std::async(std::launch::deferred, compute);

    std::cout << "Do some other work..." << std::endl;

    int result1 = future_result1.get();
    int result2 = future_result2.get();

    std::cout << "Result1: " << result1 << std::endl;
    std::cout << "Result2: " << result2 << std::endl;

    return 0; 
   }

在上面的示例代码中，我们使用std::launch::async和std::launch::deferred分别创建了两个std::future对象，分别表示要异步执行和延迟执行一个函数compute。在主线程中，我们继续执行一些其他任务，并不必等待这些任务完成。最后，我们分别使用get方法获取这两个任务的结果，并输出结果到控制台。
在向std::async()向任务函数传递参数的时候与std::thread对象传递参数很类似：

  1. 定义一个函数，该函数将接受要传递的参数：
void task(int arg1, double arg2, const std::string& arg3) {
   // 任务代码 
   }
  1. 调用std::async并将任务函数和参数传递给它：
std::future<void> fut = std::async(std::launch::async, task, 42, 3.14, "hello");
  1. 如果任务返回一个值，您可以使用std::future来获取该值：
std::future<int> fut = std::async(std::launch::async, task, 42, 3.14, "hello"); 
int result = fut.get();

这将启动异步任务并等待其完成。一旦任务完成，fut.get()将返回任务的返回值。如果任务没有返回值，您可以将std::future声明为std::future。
注意，如果函数是成员函数，则第一个参数应该是该函数的类实例指针。例如，如果task是类MyClass的成员函数，则调用应该像这样：

MyClass obj; std::future<void> fut = std::async(std::launch::async, &MyClass::task, &obj, 42, 3.14, "hello");

其中，&MyClass::task表示MyClass类的成员函数task，&obj表示MyClass类的实例对象指针。

1.2.2 关联future实例和任务

在前两篇文章中，我们异线程运行任务时都是使用std::thread，但是我们知道std::thread不返回任何结果，但我们有没有什么办法能知道std::thread异步线程中的执行结果呢？当然是可以的，在本章节中将引入std::packaged_task。

std::packaged_task是一个模板类，可以将函数或可调用对象封装为一个可调用的future对象，使其能够在另一个线程中异步执行，并且可以获取异步执行结果。并且std::packaged_task对象是可调用对象，我们可以直接使用，还可以将其包装在std::function对象内，当作线程函数传递给std::thread对象，也可以传递给需要可调用对象的函数。

使用std::packaged_task的一般步骤如下：

  1. 创建一个std::packaged_task对象，并将要异步执行的函数或可调用对象作为参数传递给它的构造函数。
  2. 调用std::packaged_task::get_future方法获取一个future对象，它将在异步执行完成时接收结果。
  3. 将std::packaged_task对象传递给std::thread或std::async等异步执行函数，或者使用std::packaged_task::operator()调用函数。
  4. 在异步执行完成后，可以通过future::get方法获取异步执行结果。

以下是一个简单的示例代码，使用std::packaged_task异步执行一个函数并获取其结果：

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

int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    std::packaged_task<int(int)> task(square);
    std::future<int> fut = task.get_future();
    std::thread th(std::move(task), 6);
    th.join();
    int result = fut.get();
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，std::packaged_task对象被创建并传递给了一个新的线程。在调用std::thread构造函数时，需要使用std::move将std::packaged_task对象转移到新线程中。异步执行完成后，可以通过future::get方法获取结果，并将其输出到控制台。

需要注意的是，如果异步执行函数抛出异常，则future::get方法将重新抛出该异常。因此，在使用std::packaged_task时，需要考虑异常处理以及线程同步等问题。

为什么要使用std::move呢：

  1. 在向std::thread传递std::packaged_task对象时，需要使用std::move，因为std::thread的构造函数使用了右值引用来接收函数对象，而std::packaged_task是一个包装了可调用对象的类模板，其中包含了一个移动构造函数。

  2. 如果我们不使用std::move，则将尝试使用std::packaged_task的复制构造函数来创建一个新对象，并将其传递给std::thread的构造函数，这将导致编译错误，因为std::packaged_task的复制构造函数被删除了，只保留了移动构造函数。

  3. 因此，为了正确地将std::packaged_task对象传递给std::thread，需要使用std::move将其转换为右值，从而调用std::packaged_task的移动构造函数。

1.2.3 创建std::promise

上面我们提到std::packaged_task可以将函数封装成一个可被调用的对象，然后传入到其他线程中，进行异步线程的通信。除此之外，还有其他的方式可以异步通信，将std::promise<T>和std::future<T>进行相关联。

std::promise 是 C++11 中的一个类，用于在多线程编程中的异步操作中，通过分离了值的提供者和使用者，实现线程间的通信。

通常情况下，在一个异步任务中，线程 A 生成一个结果，线程 B 会等待这个结果，然后使用它进行后续操作。如果没有合适的同步机制，线程 B 可能会在线程 A 完成前一直等待，这可能导致线程 B 一直阻塞，从而使程序变得不可用。

使用 std::promise 可以解决这个问题。std::promise 允许线程 A 异步生成结果，而线程 B 则可以在需要结果时等待它的到来，这就使得线程 B 可以不必阻塞等待结果，而可以继续执行其他任务。具体来说，线程 A 可以使用 std::promise 对象的 set_value() 方法来设置一个结果值，而线程 B 可以使用 std::promise 对象的 get_future() 方法来获取一个关联的 std::future 对象，然后使用 std::future 对象的 get() 方法来等待并获取结果值。

当需要在两个线程之间进行通信并交换数据时，可以使用 std::promise 和 std::future 实现。以下是一个简单的例子：

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

void do_something(std::promise<int> &&prms) {
    std::cout << "Inside thread A, doing something..." << std::endl;
    int result = 42;
    prms.set_value(result); //设置结果值
}

int main() {
    std::cout << "Starting thread A..." << std::endl;
    std::promise<int> prms;
    std::future<int> ftr = prms.get_future(); //获取 future 对象
    std::thread t(do_something, std::move(prms));
    
    std::cout << "Waiting for result in main thread..." << std::endl;
    int result = ftr.get(); //等待结果
    std::cout << "Result received: " << result << std::endl;
    
    t.join();
    return 0;
}

在这个例子中，do_something() 函数表示一个需要在单独线程中执行的异步任务，它使用 std::promise 对象设置了一个结果值。在主线程中，首先创建了一个 std::promise 对象，并通过调用其 get_future() 方法获得了一个 std::future 对象。接着，主线程创建了一个新的线程并将 std::promise 对象作为参数传递给线程函数 do_something()。在 do_something() 函数内部，它使用 set_value() 方法设置了一个结果值。

在主线程中，它调用了 ftr.get() 方法等待异步任务完成并获取结果值。因为 std::future 对象已经和 std::promise 对象相关联，所以它能够获得由线程 A 生成的结果值。最后，主线程打印出结果值，并等待线程 A 完成。

那么当有多个std::promise<T>和多个std::promise<T>相对应的时候，该怎么处理呢？比如在单线程内处理多个连接。

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

void handle_connection(int connection_id, std::promise<int>& p) {
    // 模拟连接处理
    std::cout << "Handling connection " << connection_id << "..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    int result = connection_id * 2;
    p.set_value(result);
}

int main() {
    std::vector<std::future<int>> futures;
    std::vector<std::promise<int>> promises;

    // 创建多个连接和相应的promise对象
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        promises.emplace_back();
        futures.emplace_back(promises.back().get_future());
    }

    // 处理每个连接
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        std::async(std::launch::async, handle_connection, i, std::ref(promises[i]));
    }

    // 获取每个连接的结果
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        std::cout << "Result for connection " << i << ": " << futures[i].get() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们创建了5个连接和相应的std::promise对象和std::future对象。然后，我们使用std::async和handle_connection函数来处理每个连接并设置相应的std::promise对象。最后，我们使用std::future对象异步访问每个连接的结果。

1.2.4 将异常保存到future中

上面的编程一直都是正常运行的结果，可是在异步模式中，该怎么让任务线程抛出异常也能被std::future.get()的线程察觉呢？
可以使用std::promise::set_execption()进行捕获异常，实例如下：

#include <iostream>
#include <future>
#include <exception>

void task(std::promise<int>& promise)
{
    try {
        // 执行一些可能抛出异常的操作
        throw std::runtime_error("error occurred");
    }
    catch (...) {
        promise.set_exception(std::current_exception());
        return;
    }

    promise.set_value(42);
}

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

    std::thread thread(task, std::ref(promise));

    try {
        // 等待任务完成并获取结果
        int result = future.get();
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    }
    catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Exception caught: " << e.what() << std::endl;
    }

    thread.join();
    return 0;
}

在上面的例子中，task()函数接受一个std::promise对象作为参数，该对象用于保存异步任务的结果。如果任务抛出异常，则在catch块中调用std::promise::set_exception()方法来保存异常信息。在main()函数中，我们创建了一个std::promise对象和一个关联的std::future对象，并将std::promise对象传递给异步任务。在调用future.get()时，如果异步任务抛出了异常，则该异常会在catch块中被捕获。注意，在调用std::promise::set_exception()方法时，必须使用std::current_exception()函数获取当前的异常对象。最后，我们需要调用std::thread::join()方法来等待异步任务的完成。

std::current_execption和std::execption有什么区别呢？

  1. std::exception是C++标准库中定义的异常基类。当C++程序中发生异常时，可以通过抛出一个std::exception类型的异常对象来表示异常情况。所有派生自std::exception的异常类都可以使用通用的异常处理方式来处理。
  2. std::current_exception是C++11中引入的函数，它可以用于获取当前正在处理的异常对象的指针。通常，这个函数在异常处理程序中被调用，以便在处理当前异常时进行一些特殊的操作，例如记录日志或重新抛出异常。如果在处理异常的过程中没有捕获到异常，则std::current_exception返回一个空指针。
  3. 因此，std::exception和std::current_exception是两个不同的东西，std::exception是用于定义异常的基类，而std::current_exception是用于在异常处理程序中获取当前异常对象的指针。

1.2.5 多个线程一起等待目标事件完成

std::shared_future是C++11标准中引入的一种新类型，它是std::future的一种扩展。在多线程编程中，std::future通常用于获取异步任务的结果，但是std::future只能被移动而不能被复制，这就意味着在多个线程中需要使用同一个结果时，必须将std::future转移所有权，使得只有一个线程可以获取结果，这种操作可能导致代码冗长和性能问题。

为了解决这个问题，C++11标准引入了std::shared_future，它允许多个线程共享同一个异步任务的结果，从而提高了代码的可读性和性能。与std::future不同，std::shared_future可以被复制，因此多个线程可以同时获取相同的结果，而不需要对结果进行多余的拷贝或者移动操作。

使用std::shared_future可以方便地实现多个线程之间的协作和同步。例如，如果一个任务需要等待多个异步操作完成，可以将这些操作的std::future对象合并成一个std::shared_future对象，并将其传递给等待任务的线程，这样等待任务的线程就可以在所有异步操作都完成之后获取结果。

具体可以按照以下步骤实现：

  1. 在主线程中创建一个std::promise对象，并通过std::shared_future对象获取这个std::promise对象的std::shared_future对象；
  2. 创建多个等待线程，并将这个std::shared_future对象传递给这些线程；
  3. 等待线程在执行时等待这个std::shared_future对象的结果；
  4. 在主线程中通过std::promise对象设置异步任务的结果，从而通知所有等待线程。
    实例如下：
#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>
#include <vector>

void wait_for_result(std::shared_future<int> f, int id)
{
    // 等待异步任务完成，并输出结果
    std::cout << "Thread " << id << " wait for result: " << f.get() << std::endl;
}

int main()
{
    std::promise<int> p;
    std::shared_future<int> f = p.get_future().share(); // 获取std::shared_future对象
    
    std::vector<std::thread> threads;
    for(int i=0; i<10; ++i) {
        threads.emplace_back(wait_for_result, f, i); // 创建10个线程，并将std::shared_future对象传递给这些线程
    }
    
    // 等待1秒钟，模拟异步任务的执行
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    
    p.set_value(42); // 设置异步任务的结果，并通知所有等待线程
    
    for(auto& t : threads) {
        t.join(); // 等待所有线程完成
    }
    
    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们首先创建了一个std::promise对象，并通过std::promise::get_future函数获取其对应的std::future对象，然后再通过std::shared_future::share函数获取std::shared_future对象。接着我们创建了10个线程，并将这个std::shared_future对象传递给这些线程。每个线程在执行时都会等待这个std::shared_future对象的结果，并输出获取到的结果。在主线程中，我们等待1秒钟，模拟异步任务的执行，并使用std::promise对象设置异步任务的结果，并通知所有等待线程。最后，我们等待所有线程完成，并输出程序的执行结果。

需要注意的是，在使用std::shared_future对象时，需要保证其对应的异步任务只会被执行一次。在上面的示例代码中，由于我们只设置了一次异步任务的结果，因此可以保证所有等待线程只会获取一次结果。

再举一个例子：假设我们有一个函数calculate_sum，它需要进行一些复杂的计算，然后返回计算结果。如果在多个线程中同时调用这个函数，并且需要获取相同的计算结果，我们可以使用std::async函数来异步调用这个函数，并返回一个std::shared_future对象。这个std::shared_future对象可以在多个线程之间共享，这样就可以避免多个线程都进行一次相同的计算。

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

int calculate_sum(int a, int b)
{
    // 模拟复杂的计算过程
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    return a + b;
}

int main()
{
    // 异步调用calculate_sum函数，并返回std::shared_future对象
    std::shared_future<int> f = std::async(std::launch::async, calculate_sum, 1, 2).share();
    
    std::vector<std::thread> threads;
    for(int i=0; i<10; ++i) {
        threads.emplace_back([&f, i]{
            // 多个线程同时获取std::shared_future对象的结果，并输出结果
            std::cout << "Thread " << i << " get result: " << f.get() << std::endl;
        });
    }
    
    for(auto& t : threads) {
        t.join(); // 等待所有线程完成
    }
    
    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们首先使用std::async函数异步调用calculate_sum函数，并返回一个std::shared_future对象。接着，我们创建了10个线程，并在每个线程中获取这个std::shared_future对象的结果，并输出获取到的结果。由于这个std::shared_future对象被多个线程共享，因此只会进行一次复杂的计算过程，所有线程都可以获取到相同的结果。

1.3 限时等待

前面的章节我们讲解了调用，但是有时候我们不能保证线程不会阻塞，所以我们需要对异步线程增加一下延时处理，有两种超时机制可供选用：一是迟延超时（duration-based timeout），线程根据指定的时常而继续等待（如30毫秒）；二是绝对超时（absolute timeout）,在某特定时间点来临之前，线程一直等待。

1.3.1 时钟类

在我们讲解限时等待时，我们首先来介绍一下时钟类：

C++ 标准库中的时钟类是 std::chrono::steady_clock。它是一个高精度的时钟，用于测量时间间隔，特别是用于度量代码的性能。

std::chrono::steady_clock 与系统时钟无关，也不受系统时钟调整的影响。这意味着如果系统时间被更改，std::chrono::steady_clock 的行为不会受到影响。

使用 std::chrono::steady_clock，可以通过以下方式获得时间间隔：

#include <chrono>

std::chrono::steady_clock::time_point start_time = std::chrono::steady_clock::now();
// ... some time passes ...
std::chrono::steady_clock::time_point end_time = std::chrono::steady_clock::now();

std::chrono::duration<double> elapsed_seconds = end_time - start_time;

这里，start_time 和 end_time 是两个 std::chrono::steady_clock::time_point 对象，表示时间的两个点。elapsed_seconds 是两个时间点之间的时间间隔，以秒为单位。

需要注意的是，std::chrono::steady_clock::now() 返回的时间点类型是 std::chrono::time_point，它的单位是纳秒。如果需要以其他单位表示时间间隔，可以使用 std::chrono::duration 类型，并将其转换为所需的单位。

除了 std::chrono::steady_clock，C++ 标准库还提供了其他的时钟类，包括：

  1. std::chrono::system_clock：系统时钟，表示从某个固定时间点（通常是1970年1月1日UTC）到当前时间的时间间隔。它的行为受到系统时钟调整的影响。

  2. std::chrono::high_resolution_clock：高精度时钟，提供了更高的精度，但可能不是稳定的，因为它的实现取决于操作系统和编译器。

这些时钟类的实现可能因平台而异，但它们都满足时钟接口的标准，可以在不同平台上进行交换使用。

时钟类的主要优点是它们提供了可移植的和精确的时间测量功能。对于需要测量代码执行时间和性能的应用程序，时钟类是一个非常有用的工具。同时，使用时钟类进行时间测量也比使用操作系统提供的计时器更加可靠和精确。

1.3.2 时长类

std::chrono::duration类是一个表示时间长度的类型，可以用来表示各种不同的时间单位。
一个std::chrono::duration对象由两个主要的组成部分构成：第一个是持续时间的长度，第二个是时间单位。这些可以由模板参数来指定。例如，如果您想要表示5秒的时间长度，可以使用以下代码：

#include <chrono>
std::chrono::duration<int> five_seconds(5); // 5秒

这里，我们使用了std::chrono::duration模板类来定义一个整数类型的时间长度，即std::chrono::duration<int>。这个时间长度是5秒，因为我们将5作为构造函数的参数传递给了这个类。
std::chrono::duration类支持各种不同的时间单位，包括纳秒、微秒、毫秒、秒、分钟、小时和天。这些单位可以在模板参数中进行指定，
具有两个模板参数，前者指定采用何种类型标识计时单元的数量（如int、long、或double），后者是一个分数，设定该时长类的每一个计时单元代表多少秒。
例如：

std::chrono::duration<double, std::ratio<1, 1000>> half_second(0.5); // 0.5毫秒（1秒1000个计时单元，毫秒级）
std::chrono::duration<double, std::ratio<60, 1>> two_minutes(2); // 2分钟（60秒一个计时单元，分级）

这里，我们定义了一个std::chrono::duration对象来表示0.5毫秒和2分钟的时间长度。需要注意的是，我们使用了std::ratio类来指定时间单位。

下面是一个完整的示例程序，展示了如何使用std::chrono::duration类来表示不同的时间长度，并计算它们的总和：

#include <iostream>
#include <chrono>

int main() {
    // 定义不同的时间长度
    std::chrono::duration<int> five_seconds(5);
    std::chrono::duration<double, std::ratio<1, 1000>> half_second(0.5);
    std::chrono::duration<double, std::ratio<60, 1>> two_minutes(2);

    // 计算总时间长度
    auto total_time = five_seconds + half_second + two_minutes;

    // 输出总时间长度
    std::cout << "Total time: " << total_time.count() << " seconds." << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例程序中，我们定义了三个不同的时间长度：5秒、0.5毫秒和2分钟。然后，我们将这些时间长度相加，得到了总时间长度，并将其输出到控制台。需要注意的是，std::chrono::duration类的count()成员函数可以用来获取时间长度的实际数值，这里我们输出的是总时间长度的秒数。

我们还可以使用std::chrono::duration_cast进行时间单位的强制转换：

#include <iostream>
#include <chrono>

int main() {
    // 定义一个时长对象，表示1秒
    std::chrono::duration<int> seconds{1};

    // 将秒转换为微秒
    auto microseconds = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(seconds);

    // 输出微秒数
    std::cout << "Microseconds: " << microseconds.count() << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例程序中，我们首先定义了一个std::chrono::duration对象，表示1秒。然后，我们使用std::chrono::duration_cast函数将这个时长对象转换为微秒单位，并将其输出到控制台。

1.3.3 时间点类

C++标准库中的时间点类是std::chrono::time_point。该类表示一个时间点，可以是系统时钟的当前时间，也可以是一个从系统时钟的起点开始的特定时间。

time_point类具有以下特点：

time_point类是模板类，它接受两个模板参数：时钟类型（Clock）和时间单位（Duration）。

时钟类型指定了时间点的时间基准，包括系统时钟（system_clock）、高精度时钟（high_resolution_clock）和稳定时钟（steady_clock）。

时间单位指定了时间点的精度和范围。可以选择的时间单位包括纳秒（nanoseconds）、微秒（microseconds）、毫秒（milliseconds）、秒（seconds）、分（minutes）、时（hours）等。

time_point类提供了各种方法来访问和操作时间点，例如获取时间点对应的时间戳、计算两个时间点之间的时间间隔等。

以下是一个示例代码，展示了如何使用std::chrono::time_point类来获取当前时间点：

#include <chrono>
#include <iostream>

int main() {
  // 获取当前时间点
  auto now = std::chrono::system_clock::now();

  // 将时间点转换为时间戳
  auto timestamp = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now.time_since_epoch()).count();

  // 输出时间戳
  std::cout << "Current timestamp: " << timestamp << std::endl;

  return 0;
}

在此示例中，我们使用std::chrono::system_clock::now()函数获取当前时间点，将其转换为时间戳并输出。通过使用C++标准库中的时间点类，我们可以轻松地进行时间计算和处理。

除了获取当前时间点，time_point类还提供了其他有用的方法，如下所示：

  1. time_since_epoch()：返回的是从1970年1月1日UTC时刻午夜（也就是UNIX时间戳的起点）到当前时间点的时间间隔。在C++标准库中，系统时钟（std::chrono::system_clock）的起点也是1970年1月1日UTC时刻午夜，因此time_since_epoch()返回的时间间隔可以直接用于计算UNIX时间戳。
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto duration = now.time_since_epoch();
  1. operator+() 和 operator-()：在时间点上进行加减操作，返回一个新的时间点。
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto later = now + std::chrono::hours(1);
auto earlier = now - std::chrono::minutes(30);
  1. time_since()：计算两个时间点之间的时间间隔。
auto start = std::chrono::system_clock::now();
// do something
auto end = std::chrono::system_clock::now();
auto duration = end - start;
  1. max() 和 min()：返回时钟的最大和最小时间点。
auto max_time_point = std::chrono::system_clock::time_point::max();
auto min_time_point = std::chrono::system_clock::time_point::min();
  1. time_point_cast()：将一个时间点转换为另一个时间单位的时间点。
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto minutes = std::chrono::time_point_cast<std::chrono::minutes>(now);
auto hours = std::chrono::time_point_cast<std::chrono::hours>(now);

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