C++ 多线程：std::promise

概念

std::promise是一个模板类: template<typename ResultType> class promise。其泛型参数ResultType是std::promise对象保存的值的类型，例如std::promise<int>，ResultType可以是void类型。std::promise类型模板提供设置异步结果的方法，这样其他线程就可以通过std::future实例来读取该结果。std::promise和std::future合作共同实现了多线程间通信。

在构造std::promise对象时，该对象与新的共享状态(shared state)关联。通过调用std::promise的get_future函数，可以将该共享状态与std::future对象关联。调用get_future之后，两个对象共享相同的共享状态：std::promise对象是异步提供程序(asynchronous provider)，应在某个时刻为共享状态设置一个值。std::future对象是个异步返回对象，可以检索共享状态的值，并在必要时等待其准备就绪。 需要注意的是：set_value只能被调用一次，多次调用会抛出std::future_error异常。事实上std::promise::set_xxx函数会改变std::promise的状态为ready，再次调用时发现状态已要是reday了，则抛出异常。

std::promise实例是可以MoveConstructible(移动构造)和MoveAssignable(移动赋值)，但是不能CopyConstructible(拷贝构造)和CopyAssignable(拷贝赋值)。

类型定义

template<typename ResultType>
class promise
{
public:
  promise();
  promise(promise&&) noexcept;
  ~promise();
  promise& operator=(promise&&) noexcept;

  template<typename Allocator>
  promise(std::allocator_arg_t, Allocator const&);

  promise(promise const&) = delete;
  promise& operator=(promise const&) = delete;

  void swap(promise& ) noexcept;
  
  std::future<ResultType> get_future();

  void set_value(see description);
  void set_exception(std::exception_ptr p);
};
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默认构造函数

通过访问新的空共享状态来构造一个std::promise对象(The object is initialized with access to a new empty shared state)。并且使用ResultType类型的相关异步结果来构造std::promise实例，不过异步结果并未就绪。当没有足够内存为异步结果进行分配，那么将抛出std::bad_alloc型异常。

带分配器的构造函数

构造一个std::promise对象，使用提供的分配器来为相关异步结果分配内存。

template<typename Allocator>
promise(std::allocator_arg_t, Allocator const& alloc);
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移动构造函数

promise(promise&& other) noexcept;
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通过另一个已存在对象，构造一个std::promise对象。将已存在对象中的共享状态以及相关异步结果的所有权转移到新创建的std::promise对象当中。之后，other将无关联异步结果。

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future
#include <chrono>

std::promise<int> prom;

void print_global_promise () {
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    int x = fut.get();
    std::cout << "value: " << x << '\n';  // value is: 20
}

int main ()
{
    std::thread th1(print_global_promise);
	// 等待线程th1线跑获调用prom.get_future()
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    // 将prom所有权将转移到新创建的对象prom2上
    std::promise<int> prom2(std::move(prom));
	// 对prom2进行设值，在之前的prom的get也能获取到，最终输出20
    prom2.set_value (20);
    th1.join();
    return 0;
}
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移动赋值操作符

promise& operator=(promise&& other) noexcept;
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在两个std::promise实例中转移异步结果的所有权。在other和*this之间进行异步结果所有权的转移。当*this已经有关联的异步结果，那么该异步结果的状态将会为就绪态，且伴随一个std::future_error类型异常，错误码为std::future_errc::broken_promise。

将other中关联的异步结果转移到*this当中后。other中将无关联异步结果。返回*this。

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future

std::promise<int> prom;

void print_global_promise () {
    std::future<int> fut = prom.get_future();
    int x = fut.get();
    std::cout << "value: " << x << '\n';
}

int main () {
    std::thread th1(print_global_promise);
    prom.set_value(10);
    th1.join();

    prom = std::promise<int>();    // prom 被move赋值为一个新的 promise 对象.

    std::thread th2 (print_global_promise);
    prom.set_value (20);
    th2.join();

    return 0;
}
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swap成员函数

将两个std::promise实例中的关联异步结果进行交换。

void swap(promise& other);
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交换other和*this当中的关联异步结果。当swap使用other时，other中的异步结果就会与*this中关联异步结果相交换。二者返回来亦然。

析构函数

放弃(abandon)共享状态并销毁std::promise对象。当*this具有关联的异步结果，并且结果中没有存储值或异常(从未调用set_xx函数)，那么结果将会置为就绪，伴随一个std::future_error异常，错误码为std::future_errc::broken_promise。可以看下面单独章节说明例子。

get_future成员函数

返回一个与promise对象的共享状态关联的std::future对象。

std::future<ResultType> get_future();
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首先，*this要具有关联异步结果。最后返回与*this关联异步结果关联的std::future实例。

当std::future已经通过get_future()获取过了，第二次获取将会抛出一个std::future_error类型异常，伴随的错误码为std::future_errc::future_already_retrieved(Only one future object can be retrieved for each promise shared state)。 调用此函数后，promise应在某个时候使其共享状态准备就绪(通过设置值或异常)，否则将在销毁时自动准备就绪并包含一个std::future_error类型的异常。

#include <iostream>       // std::cout
#include <future>         // std::promise, std::future


int main () {
    std::promise<int> prom; // 生成一个 std::promise<void> 对象.
    std::future<int> fut = prom.get_future(); // 和 future 关联.
    try {
        std::future<int> fut2 = prom.get_future(); // 多次与 future 关联.
    } catch (std::exception &e) {
        std::cout << "exception: "  << e.what() << '\n'; 
    }

    return 0;
}
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输出：

exception: std::future_error: Future already retrieved
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set_value成员函数

存储一个值到与*this关联的异步结果中。

void promise<void>::set_value();
void promise<R&>::set_value(R& r);
void promise<R>::set_value(R const& r);
void promise<R>::set_value(R&& r);
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首先，*this要具有关联异步结果。最后，当ResultType不是void型，就存储r到*this相关的异步结果当中。*this相关的异步结果的状态为就绪，且将值存入。任意等待异步结果的阻塞线程将解除阻塞。

如果异步结果已经存有一个值或一个异常，那么再次调用该函数将抛出std::future_error型异常，伴随错误码为std::future_errc::promise_already_satisfied。

#include <iostream>       // std::cout
#include <functional>     // std::ref
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future

void print_int(std::future<int>& fut) {
    int x = fut.get(); // 获取共享状态的值.
    std::cout << "value: " << x << '\n'; // 打印 value: 10.
}

int main () {
    std::promise<int> prom; // 生成一个 std::promise<int> 对象.
    std::future<int> fut = prom.get_future(); // 和 future 关联.
    std::thread t(print_int, std::ref(fut)); // 将 future 交给另外一个线程t.
    prom.set_value(10); // 设置共享状态的值, 此处和线程t保持同步.

    try {
        prom.set_value(20); // 多次set_value.
    } catch (std::exception &e) {
        std::cout << "exception: "  << e.what() << '\n'; 
    }

    t.join();
    return 0;
}
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输出：

value: 10
exception: std::future_error: Promise already satisfied
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set_value_at_thread_exit 成员函数

存储一个值到与*this关联的异步结果中，标记异步结果为“已存储值”，但未就绪，直到线程退出时，异步结果的状态才会被设置为就绪 (Stores the exception pointer p in the shared state without making it ready immediately. Instead, it will be made ready automatically at thread exit, once all objects of thread storage duration have been destroyed)。

void promise<void>::set_value_at_thread_exit();
void promise<R&>::set_value_at_thread_exit(R& r);
void promise<R>::set_value_at_thread_exit(R const& r);
void promise<R>::set_value_at_thread_exit(R&& r);
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当异步结果已经存有一个值或一个异常，那么将抛出std::future_error型异常，伴随错误码为std::future_errc::promise_already_satisfied。

set_exception 成员函数

存储一个异常到与*this关联的异步结果中。

void set_exception(std::exception_ptr e);
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首先，*this具有关联异步结果。然后将e存储到*this相关的异步结果中。在存储异常后，*this相关的异步结果的状态将置为就绪。任何等待异步结果的阻塞线程将解除阻塞。

当异步结果已经存有一个值或一个异常，那么将抛出std::future_error型异常，伴随错误码为std::future_errc::promise_already_satisfied。

#include <iostream>
#include <future>

int main() {
    std::promise<int> p;
    std::future<int> f = p.get_future();
 
    try {
        // 可能抛出的代码
        throw std::runtime_error("Example");
    } catch(...) {
        try {
            // 存储任何抛出的异常于 promise
            p.set_exception(std::current_exception());
        } catch(...) {} // set_exception() 亦可能抛出
    }

    // 存储任何抛出的异常于 promise,自定义异常需要使用make_exception_ptr转换一下
    // p.set_exception(std::make_exception_ptr(std::runtime_error("Example")));

    try {
        std::cout << f.get();
    } catch(const std::exception& e) {
        std::cout << "Exception from the thread: " << e.what() << '\n';
    }
}
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输出：

Exception from the thread: Example
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set_exception_at_thread_exit 成员函数

存储一个异常到共享状态中，而不立即使状态就绪，直到当前线程退出，销毁所有拥有线程局域存储期的变量后，异步结果才被置为就绪。

void set_exception_at_thread_exit(std::exception_ptr e);
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当*this无共享状态。伴随错误码为std::future_errc::no_state。当异步结果已经存有一个值或一个异常，那么将抛出std::future_error型异常，伴随错误码为std::future_errc::promise_already_satisfied。

从未设值

如果promise对象直到析构销毁时，都没有调用set_xx接口设置过任何值，则promise会在析构时自动设置为std::future_error错误异常，这会造成std::future.get立刻解除阻塞并抛出std::future_error异常。

#include <iostream> // std::cout, std::endl
#include <thread>   // std::thread
#include <future>   // std::promise, std::future
#include <chrono>   // seconds
using namespace std::chrono;

void future_get(std::future<int> future) {
    try {
        future.get();
    } catch(std::future_error &e) {
        std::cerr << e.code() << "\n" << e.what() << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread thread;
    {
        // 如果promise不设置任何值
        // 则在promise析构时会自动设置为future_error
        // 这会造成future.get抛出该异常
        std::promise<int> promise;
        thread = std::thread(future_get, promise.get_future());
    }
    std::cout << "promise destory here" << std::endl;
    thread.join();

    return 0;
}
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输出：

future:4
std::future_error: Broken promise
promise destory here
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存储自定义异常

通过std::promise::set_exception函数可以设置自定义异常，该异常最终会被传递到std::future，并在其get函数中被抛出。

自定义异常可以通过位于头文件exception下的std::make_exception_ptr函数转化为std::exception_ptr。

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>
#include <exception>  // std::make_exception_ptr


struct MyException : public std::exception {
  const char * what () const throw ()
  {
    return "Test promise exception";
  }
};


void catch_exception(std::future<void> &future) {
    try {
        future.get();
    } catch (MyException &e) {
        std::cout << "MyException: " << e.what() << std::endl;
    }
}

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

    std::thread thread(catch_exception, std::ref(future));
    // 自定义异常需要使用make_exception_ptr转换一下
    promise.set_exception(std::make_exception_ptr(MyException()));
    
    thread.join();
    return 0;
}
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输出：

MyException: Test promise exception
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std::promise<void>

std::promise<void>是合法的，它是std::promise的特例化。此时std::promise.set_value不接受任何参数，仅用于通知关联的std::future.get()解除阻塞，void 特化，仅用于交流无状态事件。

#include <iostream>       // std::cout
#include <functional>     // std::ref
#include <thread>         // std::thread
#include <future>         // std::promise, std::future

void print_void(std::future<void>& fut) {
    fut.get(); // 获取共享状态的值void.
    std::cout << "value: void"  << '\n'; // 打印 value: 10.
}

int main () {
    std::promise<void> prom; // 生成一个 std::promise<void> 对象.
    std::future<void> fut = prom.get_future(); // 和 future 关联.
    std::thread t(print_void, std::ref(fut)); // 将 future 交给另外一个线程t.
    prom.set_value(); // 设置共享状态的值, 此处和线程t保持同步.
    t.join();
    return 0;
}
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std::promise所在线程退出时

std::promise支持定制线程退出时的行为：

std::promise::set_value_at_thread_exit线程退出时，std::future收到通过该函数设置的值。 std::promise::set_exception_at_thread_exit线程退出时，std::future则抛出该函数指定的异常。

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

std::time_t now() {
    auto t0 = std::chrono::system_clock::now();
    std::time_t time_t_today = std::chrono::system_clock::to_time_t(t0);
    return time_t_today;  // seconds
}

int main() {
    using namespace std::chrono_literals;
    std::promise<int> p;
    std::future<int> f = p.get_future();

    std::thread([&p] {
          std::this_thread::sleep_for(1s);
          p.set_value_at_thread_exit(9);
    }).detach();
 
    std::cout << now() << "->Waiting...\n" << std::flush;
    f.wait();
    std::cout << now() << "->Done!\nResult is: " << f.get() << '\n';
}
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输出：

1647995534->Waiting...
1647995535->Done!
Result is: 9
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从上面的输出可以看到，waiting和Done之间是有间隔1s钟的，也就是说set_value_at_thread_exit确实需要等线程结束后才会设值get为就绪解除阻塞。

std::future_errc

下面简单介绍一下std::future_errc类型，future_errc 类枚举 : 是 future_error 类报告的所有错误提供符号名称。future_errc枚举类型的值可用于创建error_condition对象，可以用于与future_error异常返回的值进行比较。

名称	值	示意
broken_promise	0	与其关联的 std::promise 生命周期提前结束。
future_already_retrieved	1	重复调用 get() 函数。
promise_already_satisfied	2	与其关联的 std::promise 重复 set。
no_state	4	无共享状态。

#include <iostream>     // std::cerr
#include <future>       // std::promise, std::future_error, std::future_errc

int main () {
  std::promise<int> prom;

  try {
    prom.get_future();
    prom.get_future();   // throws std::future_error with future_already_retrieved
  }
  catch (std::future_error& e) {
    if (e.code() == std::make_error_condition(std::future_errc::future_already_retrieved))
    std::cerr << "[future already retrieved]\n";
    else std::cerr << "[unknown exception]\n";
  }

  return 0;
}
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关于std::promise就是这些了，注意简单介绍std::promise的能力以及如何使用，如果想更深入了解该类，建议直接阅读一下源码。

参考

https//www.apiref.com/cpp-zh/cpp/…