C++ 第三阶段 并发与异步 - 第二节：异步任务（std::async）

目录

一、std::async 概述

1. std::async 的定义

二、std::async 的基本用法

1. 基本语法

(1) 函数调用

(2) Lambda 表达式

三、执行策略详解

1. std::launch::async

2. std::launch::deferred

3. 默认策略（std::launch::any）

四、std::future：异步结果管理

1. 获取结果的方法

五、异常处理与安全性

1. 异步任务中的异常

2. 避免资源泄漏

六、最佳实践

1. 显式指定执行策略

2. 合理使用超时机制

3. 避免共享状态竞争

七、常见问题与解决方案

1. 任务未执行

2. 性能问题

3. 异常未捕获

八、示例代码汇总

示例 1：基础异步任务

示例 2：超时等待

示例 3：多异步任务并行

九、总结

1. std::async 的核心优势

2. 适用场景

3. 后续学习方向

C++从入门到入土学习导航_c++学习进程-CSDN博客

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一、std::async 概述

1. std::async 的定义

std::async 是 C++11 引入的高级异步任务管理工具，用于启动异步任务并返回一个 std::future 对象。其核心功能包括：

• 自动管理线程：根据策略决定是否立即创建新线程或延迟执行。
• 异步任务结果获取：通过 std::future 提供阻塞或非阻塞方式获取结果。
• 灵活的执行策略：支持 std::launch::async（立即执行）和 std::launch::deferred（延迟执行）。

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二、std::async 的基本用法

1. 基本语法

template<class Function, class... Args>
std::future<std::result_of_t<std::decay_t<Function>(std::decay_t<Args>...)>> 
async(Function&& f, Args&&... args);

(1) 函数调用

#include <iostream>
#include <future>int computeSum(int a, int b) {return a + b;
}int main() {auto future = std::async(computeSum, 3, 4); // 默认策略std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl; // 阻塞直到结果可用return 0;
}

(2) Lambda 表达式

auto future = std::async([]() {return "Hello, async!";
});
std::cout << future.get() << std::endl;

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三、执行策略详解

1. std::launch::async

• 立即启动新线程：任务在独立线程中执行。
• 适用场景：需要并行执行耗时操作（如计算、I/O）。
• 示例：

  auto future = std::async(std::launch::async, []() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));return 42;
  });

2. std::launch::deferred

• 延迟执行：任务在调用 get() 或 wait() 时执行（可能在当前线程）。
• 适用场景：轻量级任务或无需并行的场景。
• 示例：

  auto future = std::async(std::launch::deferred, []() {return "Deferred task";
  });
  std::cout << future.get() << std::endl; // 此时任务执行

3. 默认策略（std::launch::any）

• 由实现决定：可能选择异步或延迟策略（具体行为依赖编译器和平台）。
• 示例：

  auto future = std::async([]() { return 100; }); // 实现决定策略

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四、std::future：异步结果管理

1. 获取结果的方法

• get()：阻塞当前线程，直到任务完成并返回结果。注意：get() 只能调用一次。

  auto future = std::async([]() { return 5 * 5; });
  std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl;

• wait()：阻塞直到任务完成（不返回结果）。

  auto future = std::async([]() { std::this_thread::sleep_for(1s); });
  future.wait(); // 等待任务完成

• wait_for() / wait_until()：带超时的等待。

  auto future = std::async([]() { std::this_thread::sleep_for(2s); });
  auto status = future.wait_for(1s); // 超时检查
  if (status == std::future_status::ready) {std::cout << "Task completed!" << std::endl;
  } else {std::cout << "Timeout!" << std::endl;
  }

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五、异常处理与安全性

1. 异步任务中的异常

• 如果异步任务抛出异常，调用 future.get() 时会重新抛出该异常。
• 示例：

  auto future = std::async([]() {throw std::runtime_error("Async error!");
  });
  try {future.get(); // 抛出异常
  } catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught: " << e.what() << std::endl;
  }

2. 避免资源泄漏

• 必须调用 get() 或 wait()：未调用会导致线程资源未释放。
• 示例：

  {auto future = std::async([]() { return 100; });future.get(); // 必须调用
  }

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六、最佳实践

1. 显式指定执行策略

• 避免默认策略的不确定性：优先使用 std::launch::async。

  auto future = std::async(std::launch::async, heavyComputation, args...);

2. 合理使用超时机制

• 防止无限阻塞：结合 wait_for() 或 wait_until()。

  auto future = std::async(std::launch::async, longRunningTask);
  if (future.wait_for(5s) == std::future_status::ready) {processResult(future.get());
  } else {std::cerr << "Task timeout!" << std::endl;
  }

3. 避免共享状态竞争

• 使用锁或原子类型：保护共享数据。

  std::mutex mtx;
  auto task1 = std::async([&]() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);sharedData++;
  });

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七、常见问题与解决方案

1. 任务未执行

• 原因：使用 std::launch::deferred 但未调用 get() 或 wait()。
• 解决方案：显式调用 get()。

  auto future = std::async(std::launch::deferred, []() { return 10; });
  future.get(); // 必须调用

2. 性能问题

• 原因：频繁创建短生命周期线程。
• 解决方案：使用线程池（需自行实现）。

  // 示例：伪代码，实际需实现线程池
  class ThreadPool {
  public:// 构造函数：启动指定数量的工作线程ThreadPool(size_t numThreads) : stop(false) {for (size_t i = 0; i < numThreads; ++i) {workers.emplace_back([this] { this->worker(); });}}// 析构函数：停止所有线程，确保资源释放~ThreadPool() {{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);stop = true;}condition.notify_all();for (std::thread& worker : workers) {if (worker.joinable()) {worker.join();}}}// 提交任务：支持任意可调用对象 + 参数，返回 future 结果template<typename F, typename... Args>auto enqueue(F&& f, Args&&... args) -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);tasks.push([task]() { (*task)(); });}condition.notify_one();return task->get_future();}private:// 工作线程主循环：等待任务并执行void worker() {while (true) {std::function<void()> task;{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);condition.wait(lock, [this] { return stop || !tasks.empty(); });if (stop && tasks.empty()) return;task = std::move(tasks.front());tasks.pop();}task();}}std::vector<std::thread> workers;           // 工作线程池std::queue<std::function<void()>> tasks;    // 任务队列std::mutex queue_mutex;                     // 保护任务队列的互斥锁std::condition_variable condition;          // 同步任务队列的条件变量bool stop;                                   // 是否停止线程池
  };

3. 异常未捕获

• 原因：未处理异步任务的异常。
• 解决方案：在 get() 调用时捕获异常。

  try {future.get();
  } catch (...) {std::cerr << "Unexpected error!" << std::endl;
  }

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八、示例代码汇总

示例 1：基础异步任务

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>int computeSquare(int x) {return x * x;
}int main() {auto future = std::async(std::launch::async, computeSquare, 5);std::cout << "Computing square..." << std::endl;std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl;return 0;
}

示例 2：超时等待

#include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>void longRunningTask() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
}int main() {auto future = std::async(std::launch::async, longRunningTask);std::cout << "Waiting for task..." << std::endl;auto status = future.wait_for(std::chrono::seconds(2));if (status == std::future_status::ready) {std::cout << "Task completed!" << std::endl;} else {std::cout << "Task not ready yet!" << std::endl;}return 0;
}

示例 3：多异步任务并行

#include <iostream>
#include <future>
#include <vector>
#include <thread>int computeSum(int a, int b) {return a + b;
}int main() {std::vector<std::future<int>> futures;for (int i = 0; i < 5; ++i) {futures.push_back(std::async(std::launch::async, computeSum, i, i * 2));}for (auto& future : futures) {std::cout << "Result: " << future.get() << std::endl;}return 0;
}

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九、总结

1. std::async 的核心优势

• 简化线程管理：自动处理线程创建和销毁。
• 灵活的执行策略：支持异步和延迟两种模式。
• 结果安全获取：通过 std::future 提供阻塞和非阻塞接口。

2. 适用场景

• 后台任务：如文件读写、网络请求、计算密集型任务。
• 并行处理：同时执行多个独立任务。
• 异步结果获取：避免主线程阻塞，提升程序响应性。

3. 后续学习方向

• 高级同步机制：如 std::condition_variable、std::atomic。
• 线程池实现：优化 std::async 的性能瓶颈。
• 异步任务链：结合 std::future 和 std::promise 实现复杂任务依赖。

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通过掌握 std::async，开发者可以高效管理异步任务，提升程序的并发性能和响应能力，为构建复杂的多线程应用打下坚实基础。