C++ 异步运算接口

std::async介绍

下面是一个很好的并行计算的例子。

#include <future>
#include <iostream>
#include <string>

bool is_prime(int x)
{
    for (int i = 2; i < x; i++)
    {
        if (x % i == 0)
            return false;
    }
    return true;
}

int main()
{
    /** is_prime(700020007)这个函数调用隐藏于主线程，异步执行 */
    std::future<bool> fut = std::async(is_prime, 700020007);
    std::cout << "please wait";
    std::chrono::milliseconds span(100);
    /** 这个异步调用函数等待100ms，如果没有计算完就继续等待 */
    while (fut.wait_for(span) != std::future_status::ready)
        std::cout << ".";
    std::cout << std::endl;

    /** 计算完毕后，获取函数返回值 */
    std::cout << "final result: " << std::boolalpha << fut.get() << std::endl;

    system("pause");
    return 0;
}

std::async中的第一个参数是启动策略，它控制std::async的异步行为，我们可以用三种不同的启动策略来创建std::async ·std::launch::async 保证异步行为，即传递函数将在单独的线程中执行 ·std::launch::deferred 当其他线程调用get()来访问共享状态时，将调用非异步行为 ·std::launch::async | std::launch::deferred 默认行为。有了这个启动策略，它可以异步运行或不运行，这取决于系统的负载，但我们无法控制它。

见下面例子：

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

using namespace std::chrono;

std::string fetchDataFromDB(std::string recvData)
{
    //确保函数要5秒才能执行完成
    std::this_thread::sleep_for(seconds(5));

    //处理创建数据库连接、获取数据等事情
    return "DB_" + recvData;
}

std::string fetchDataFromFile(std::string recvData)
{
    //确保函数要5秒才能执行完成
    std::this_thread::sleep_for(seconds(5));

    //处理获取文件数据
    return "File_" + recvData;
}

int main()
{
    //获取开始时间
    system_clock::time_point start = system_clock::now();

    /** 使用std::launch::async，来指定其异步执行 */
    std::future<std::string> resultFromDB = std::async(std::launch::async,
                                                    fetchDataFromDB, "Data");

    //从文件获取数据
    std::string fileData = fetchDataFromFile("Data");

    //从DB获取数据
    //数据在future<std::string>对象中可获取之前，将一直阻塞
    std::string dbData = resultFromDB.get();

    //获取结束时间
    auto end = system_clock::now();

    auto diff = duration_cast<std::chrono::seconds>(end - start).count();
    std::cout << "Total Time taken= " << diff << "Seconds" << std::endl;

    //组装数据
    std::string data = dbData + " :: " + fileData;

    //输出组装的数据
    std::cout << "Data = " << data << std::endl;

    return 0;
}

std::promise介绍

std::promise的作用就是提供一个不同线程之间的数据同步机制，它可以存储一个某种类型的值，并将其传递给对应的future， 即使这个future不在同一个线程中也可以安全的访问到这个值

#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)
{
    std::cout << "Enter print_int: " << std::endl;
    int x = fut.get();  ///< 在这里会等待外部std::promise变量set_value进来，否则会一致阻塞在这里
    std::cout << "value: " << x << '\n';
}

int main ()
{
    std::promise<int> prom;                      // 创建一个std::promise变量

    std::future<int> fut = prom.get_future();    // 创建一个std::future变量

    std::thread th1 (print_int, std::ref(fut));  // 创建一个线程执行函数print_int

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    prom.set_value (10);                         // 传值进入线程th1

    th1.join();
    system("pause");
    return 0;
}

std::packaged_task介绍

#include <iostream>     // std::cout
#include <future>       // std::packaged_task, std::future
#include <chrono>       // std::chrono::seconds
#include <thread>       // std::thread, std::this_thread::sleep_for

// count down taking a second for each value:
int countdown (int from, int to)
{
    for (int i = from; i != to; --i)
    {
        std::cout << i << '\n';
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }
    std::cout << "Lift off!\n";
    return from - to;
}

int main ()
{
    // 创建一个std::packaged_task对象
    std::packaged_task<int(int, int)> tsk (countdown);
    // 创建一个std::future对象，用于跨线程异步获取该线程返回的值
    std::future<int> ret = tsk.get_future();
	// 把线程对象移动进一个可运行的线程中
    std::thread th (std::move(tsk), 10, 0);
    // 让该线程从主线程中分离
    th.detach();
    // ...
    // 利用std::future对象来获取已经分离开的线程运行是否结束的返回的值
    int value = ret.get();
    std::cout << "The countdown lasted for " << value << " seconds.\n";

    system("pause");
    return 0;
}

硬件支持的线程数量

由于硬件支持的并行线程数量有限，如果创建线程的数量比硬件支持的数量要多，那么CPU进行的上下文切换可能会浪费大量时间，所以了解硬件支持的线程数量是高效并行编程的重点。

使用std::thread::hardware_concurrency()来获取硬件支持的线程数量。

#include <iostream>
#include <thread>

int main() {
    unsigned int n = std::thread::hardware_concurrency();
    std::cout << n << " concurrent threads are supported.\n";
}

std::thread::yield介绍

关于std::thread::yield 和 std::sleep_for的比较

例子：

void worker_thread() {
    while (true) {
        std::function<void()> task;
        if (work_queue.try_pop(task)) {
            /// 获取到任务就运行
            task();
        } else {
            /// 没有获取到就休息一下
            std::this_thread::yield();
        }
    }
}