第27课 “共享状态”及其管理者（std::future/std::shared_future）

Posted 2021-03-24 5iedu

一. “共享状态”

（一）“共享状态”对象

 

　　1. 用于保存线程函数及其参数、返回值以及新线程状态等信息。该对象通常创建在堆上，由std::async、std::promise和std::package_task等提供（Provider），并交由future/shared_future管理。

　　2. Provider将计算结果写入“共享状态”对象，而future/shared_future通过get()函数来读取该结果。“共享状态”作为异步结果的传输通道，future可以从中方便地获取线程函数的返回值。

　　3. “共享状态”内部保存着一个引用计数，当引用计数为0时会通过delete this来销毁自身。

// CLASS TEMPLATE _Associated_state
template <class _Ty>
class _Associated_state { // class for managing associated synchronous state
public:
    using _State_type = _Ty;
    using _Mydel      = _Deleter_base<_Ty>;

    _Associated_state(_Mydel* _Dp = nullptr)
        : _Refs(1), // non-atomic initialization
          _Exception(), _Retrieved(false), _Ready(false), _Ready_at_thread_exit(false), _Has_stored_result(false),
          _Running(false), _Deleter(_Dp) { // construct
        // TODO: _Associated_state ctor assumes _Ty is default constructible
    }

    virtual ~_Associated_state() noexcept { // 析构函数：注意并不会阻塞
        if (_Has_stored_result && !_Ready) { // registered for release at thread exit
            _Cond._Unregister(_Mtx);
        }
    }

    void _Retain() { // 增加引用计数
        _MT_INCR(_Refs);
    }

    void _Release() { // 减少引用计数，等于0时delete this
        if (_MT_DECR(_Refs) == 0) {
            _Delete_this();
        }
    }

private:
    _Atomic_counter_t _Refs;

public:
    virtual void _Wait() { // wait for signal
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        _Maybe_run_deferred_function(_Lock);
        while (!_Ready) {
            _Cond.wait(_Lock);
        }
    }

    struct _Test_ready { // _Associated_state包装类
        _Test_ready(const _Associated_state* _St) : _State(_St) { // construct from associated state
        }

        bool operator()() const { // 判断“共享状态”是否就绪
            return _State->_Ready != 0;
        }
        const _Associated_state* _State;
    };

    template <class _Rep, class _Per>
    future_status _Wait_for(const chrono::duration<_Rep, _Per>& _Rel_time) { // wait for duration
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        if (_Has_deferred_function()) {
            return future_status::deferred; //如果是延迟任务，调用waitfor将返回deferred，而不是future_status::ready!
        }

        if (_Cond.wait_for(_Lock, _Rel_time, _Test_ready(this))) {
            return future_status::ready; //返回future_status::ready
        }

        return future_status::timeout; //返回超时
    }

    template <class _Clock, class _Dur>
    future_status _Wait_until(const chrono::time_point<_Clock, _Dur>& _Abs_time) { // wait until time point
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        if (_Has_deferred_function()) {
            return future_status::deferred;
        }

        if (_Cond.wait_until(_Lock, _Abs_time, _Test_ready(this))) {
            return future_status::ready;
        }

        return future_status::timeout;
    }

    virtual _Ty& _Get_value(bool _Get_only_once) { // return the stored result or throw stored exception
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        if (_Get_only_once && _Retrieved) { //_Get_only_once：true表示_Get_value只能调用一次，false表示可重复调用
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::future_already_retrieved));
        }

        if (_Exception) {
            _Rethrow_future_exception(_Exception);
        }

        _Retrieved = true; //标记_Get_value()函数己被调用过
        _Maybe_run_deferred_function(_Lock);
        while (!_Ready) { //如果任务结束，则不再等待。
            _Cond.wait(_Lock);
        }

        if (_Exception) {
            _Rethrow_future_exception(_Exception);
        }

        return _Result;
    }

    void _Set_value(const _Ty& _Val, bool _At_thread_exit) { // store a result
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        _Set_value_raw(_Val, &_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_value_raw(const _Ty& _Val, unique_lock<mutex>* _Lock,
        bool _At_thread_exit) { // store a result while inside a locked block
        if (_Has_stored_result) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::promise_already_satisfied));
        }

        _Result = _Val;
        _Do_notify(_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_value(_Ty&& _Val, bool _At_thread_exit) { // store a result
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        _Set_value_raw(_STD forward<_Ty>(_Val), &_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_value_raw(_Ty&& _Val, unique_lock<mutex>* _Lock,
        bool _At_thread_exit) { // store a result while inside a locked block
        if (_Has_stored_result) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::promise_already_satisfied));
        }

        _Result = _STD forward<_Ty>(_Val);
        _Do_notify(_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_value(bool _At_thread_exit) { // store a (void) result
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        _Set_value_raw(&_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_value_raw(
        unique_lock<mutex>* _Lock, bool _At_thread_exit) { // store a (void) result while inside a locked block
        if (_Has_stored_result) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::promise_already_satisfied));
        }

        _Do_notify(_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_exception(exception_ptr _Exc, bool _At_thread_exit) { // store a result
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        _Set_exception_raw(_Exc, &_Lock, _At_thread_exit);
    }

    void _Set_exception_raw(exception_ptr _Exc, unique_lock<mutex>* _Lock,
        bool _At_thread_exit) { // store a result while inside a locked block
        if (_Has_stored_result) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::promise_already_satisfied));
        }

        _Exception = _Exc;
        _Do_notify(_Lock, _At_thread_exit);
    }

    bool _Is_ready() const { // return ready status
        return _Ready != 0;
    }

    bool _Is_ready_at_thread_exit() const { // return ready at thread exit status
        return _Ready_at_thread_exit;
    }

    bool _Already_has_stored_result() const { // return presence of stored result
        return _Has_stored_result;
    }

    bool _Already_retrieved() const { // return retrieved status
        return _Retrieved;
    }

    void _Abandon() { // abandon shared state
        unique_lock<mutex> _Lock(_Mtx);
        if (!_Has_stored_result) { // queue exception
            future_error _Fut(make_error_code(future_errc::broken_promise));
            _Set_exception_raw(_STD make_exception_ptr(_Fut), &_Lock, false);
        }
    }

protected:
    void _Make_ready_at_thread_exit() { // set ready status at thread exit
        if (_Ready_at_thread_exit) {
            _Ready = true;
        }
    }

    void _Maybe_run_deferred_function(unique_lock<mutex>& _Lock) {
        if (!_Running) { //延迟任务默认值为false，只能调用该函数后，才会变为true
            _Running = true;
            _Run_deferred_function(_Lock); //执行延迟任务
        }
    }

public:
    _Ty _Result;
    exception_ptr _Exception;
    mutex _Mtx;
    condition_variable _Cond;
    bool _Retrieved; //用于标记_Get_value函数是否己被调用过，true表示己调用过，false为未调用过
    int _Ready; //是否处于就绪状态，用于唤醒等待线程。（有些任务做完线程就被置为就绪状态，而有些任务要等线程退出时才置就绪）
    bool _Ready_at_thread_exit;//是否在线程退出时才设为就绪状态
    bool _Has_stored_result; //调用_Do_notify时表示结果己计算出来，该值被置为true。
    bool _Running; //用于标识线程是否正在运行（异步任务默认值为true，延迟任务默认值为false）
private:
    virtual bool _Has_deferred_function() const noexcept { // 被_Deferred_async_state子类override
        return false;
    }

    virtual void _Run_deferred_function(unique_lock<mutex>&) { // do nothing
    }

    virtual void _Do_notify(unique_lock<mutex>* _Lock, bool _At_thread_exit) { // 通知等待线程。
        _Has_stored_result = true; 
        if (_At_thread_exit) { //线程退出时，才唤醒等待线程
            _Cond._Register(*_Lock, &_Ready);
        } else { // 立即唤醒等待线程
            _Ready = true;
            _Cond.notify_all();
        }
    }

    void _Delete_this() { // delete this object
        if (_Deleter) {
            _Deleter->_Delete(this);
        } else {
            delete this; //删除自身
        }
    }

    _Mydel* _Deleter;

public:
    _Associated_state(const _Associated_state&) = delete;  //不可复制
    _Associated_state& operator=(const _Associated_state&) = delete; //不可复制赋值
};

// CLASS TEMPLATE _Packaged_state
template <class>
class _Packaged_state;

template <class _Ret,
    class... _ArgTypes>
class _Packaged_state<_Ret(_ArgTypes...)>
    : public _Associated_state<_Ret> { //为packaged_task准备的”共享状态“
public:
    using _Mybase = _Associated_state<_Ret>;
    using _Mydel  = typename _Mybase::_Mydel;

    template <class _Fty2>
    _Packaged_state(const _Fty2& _Fnarg) : _Fn(_Fnarg) { // construct from function object
    }

#if _HAS_FUNCTION_ALLOCATOR_SUPPORT
    template <class _Fty2, class _Alloc>
    _Packaged_state(const _Fty2& _Fnarg, const _Alloc& _Al, _Mydel* _Dp)
        : _Mybase(_Dp), _Fn(allocator_arg, _Al, _Fnarg) { // construct from function object and allocator
    }
#endif // _HAS_FUNCTION_ALLOCATOR_SUPPORT

    template <class _Fty2>
    _Packaged_state(_Fty2&& _Fnarg) : _Fn(_STD forward<_Fty2>(_Fnarg)) { // construct from rvalue function object
    }

#if _HAS_FUNCTION_ALLOCATOR_SUPPORT
    template <class _Fty2, class _Alloc>
    _Packaged_state(_Fty2&& _Fnarg, const _Alloc& _Al, _Mydel* _Dp)
        : _Mybase(_Dp), _Fn(allocator_arg, _Al,
                            _STD forward<_Fty2>(_Fnarg)) { // construct from rvalue function object and allocator
    }
#endif // _HAS_FUNCTION_ALLOCATOR_SUPPORT

    //提供给Provider使用的，provider会通过set_value_at_thread_exit调用该函数来实现线程退出时唤醒等待线程。
    void _Call_deferred(_ArgTypes... _Args) { //这类延迟函数，在线程退出时将任务设为就绪状态，才会唤醒其他线程。。
        _TRY_BEGIN
        // call function object and catch exceptions
        this->_Set_value(_Fn(_STD forward<_ArgTypes>(_Args)...), true); //执行_Fn函数，并将返回值提供给_Set_value函数。t
        _CATCH_ALL                                                      //true表示线程退出时才唤醒等待线程
        // function object threw exception; record result
        this->_Set_exception(_STD current_exception(), true);
        _CATCH_END
    }
    
    //立即调用线程函数，执行完立即唤醒等待线程。比如std::async不管是同步或异步，都是在执行完立即唤醒等待线程。
    void _Call_immediate(_ArgTypes... _Args) {
        _TRY_BEGIN
        // call function object and catch exceptions
        this->_Set_value(_Fn(_STD forward<_ArgTypes>(_Args)...), false);//立即调用函数对象，false表示任务做完立即唤醒等待线程
        _CATCH_ALL
        // function object threw exception; record result
        this->_Set_exception(_STD current_exception(), false);
        _CATCH_END
    }

    const function<_Ret(_ArgTypes...)>& _Get_fn() { // return stored function object
        return _Fn;
    }

private:
    function<_Ret(_ArgTypes...)> _Fn;
};

// CLASS TEMPLATE _Deferred_async_state
template <class _Rx>
class _Deferred_async_state : public _Packaged_state<_Rx()> { //std::async创建的同步”共享状态“
public:
    template <class _Fty2>
    _Deferred_async_state(const _Fty2& _Fnarg) : _Packaged_state<_Rx()>(_Fnarg) { // construct from function object
    }

    template <class _Fty2>
    _Deferred_async_state(_Fty2&& _Fnarg)
        : _Packaged_state<_Rx()>(_STD forward<_Fty2>(_Fnarg)) { // construct from rvalue function object
    }

private:
    virtual bool _Has_deferred_function() const
        noexcept { // this function is considered to be deferred until it‘s invoked
        return !this->_Running; //如果任务己被执行过，就不在是视为延迟任务
    }

    virtual void _Run_deferred_function(unique_lock<mutex>& _Lock) { // run the deferred function
        _Lock.unlock();
        _Packaged_state<_Rx()>::_Call_immediate(); //注意，这里不是调用_Call::deferred()!!!
        _Lock.lock();
    }
};

// CLASS TEMPLATE _Task_async_state
template <class _Rx>
class _Task_async_state : public _Packaged_state<_Rx()> { //std::async创建的异步”共享状态“ 
public:
    using _Mybase     = _Packaged_state<_Rx()>;
    using _State_type = typename _Mybase::_State_type;

    template <class _Fty2>
    _Task_async_state(_Fty2&& _Fnarg) : _Mybase(_STD forward<_Fty2>(_Fnarg)) { // construct from rvalue function object
        _Task = ::Concurrency::create_task([this]() { // do it now
            this->_Call_immediate();
        });

        this->_Running = true; //异步任务，线程一启动就处于running状态。
    }

    virtual ~_Task_async_state() noexcept { // destroy
        _Wait();   //异步“共享状态”对象析构时，会被阻塞！！！
    }

    virtual void _Wait() { // wait for completion
        _Task.wait(); //重写_Wait()。注意，这里调用的是线程级别的wait，相当于对底层线程实施一次隐式join()。
    }

    virtual _State_type& _Get_value(bool _Get_only_once) { // return the stored result or throw stored exception
        _Task.wait(); //异步“共享状态”对象，在调用Get_value时，也会被阻塞！
        return _Mybase::_Get_value(_Get_only_once);
    }

private:
    ::Concurrency::task<void> _Task;
};

“共享状态”相关类的源码摘要

（二）注意事项

　　1.std::promise创建_Assoicated_state类型的共享对象。这是一种最简单的共享状态对象，只能用于保存线程函数的返回值等信息。

　　2. _Package_state类型“共享状态”，除了可以保存返回值外，还用于将可调用对象包装成一个function对象。一般由std::package_task创建。

　　3._Deffered_async_state或_Task_async_state类型，前者用于跟踪std::launch::deferred类型的异步任务，而后者用于跟踪std::launch::async类型的任务。std::async就是根据启动策略来创建这两种共享状态之一。

　　4. _Task_async_state类型的“共享状态”对象，在析构时会调用wait()函数来等待任务执行完毕。从效果来看，相当于实施一次隐式join()，正如std::thread一样，C++标准委员会对这种行为也曾经存在争议。而其他所有 “共享状态”的类型都无此操作，这相当于实施一次隐式的detach()操作。

二.期值（“共享状态”的管理器）

（一）future/shared_future源码摘要

// CLASS TEMPLATE _State_manager
template <class _Ty>
class _State_manager { //“共享状态”管理器
public:
    _State_manager() : _Assoc_state(nullptr) { // construct with no associated asynchronous state object
        _Get_only_once = false;  //注意，默认get()函数是可多次调用的
    }

    _State_manager(_Associated_state<_Ty>* _New_state, bool _Get_once)
        : _Assoc_state(_New_state) { // construct with _New_state
        _Get_only_once = _Get_once;
    }

    _State_manager(const _State_manager& _Other, bool _Get_once = false)
        : _Assoc_state(nullptr) { // construct from _Other
        _Copy_from(_Other);
        _Get_only_once = _Get_once;
    }

    _State_manager(_State_manager&& _Other, bool _Get_once = false)
        : _Assoc_state(nullptr) { // construct from rvalue _Other
        _Move_from(_Other);
        _Get_only_once = _Get_once;
    }

    ~_State_manager() noexcept { // destroy
        if (_Assoc_state != nullptr) {
            _Assoc_state->_Release(); //_State_manager对象析构时，会同时将管理的“共享状态”的引用计数自减1
        }
    }

    _State_manager& operator=(const _State_manager& _Other) { // assign from _Other
        _Copy_from(_Other);
        return *this;
    }

    _State_manager& operator=(_State_manager&& _Other) { // assign from rvalue _Other
        _Move_from(_Other);
        return *this;
    }

     //检查当前的 std::future 对象是否有效，即释放与某个共享状态相关联
    _NODISCARD bool valid() const noexcept {
        return _Assoc_state != nullptr && !(_Get_only_once && _Assoc_state->_Already_retrieved());
    }

    //等待与当前std::future 对象相关联的共享状态的标志变为 ready.
    void wait() const { // wait for signal
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        _Assoc_state->_Wait(); //等待条件变量
    }

    template <class _Rep, class _Per>
    future_status wait_for(const chrono::duration<_Rep, _Per>& _Rel_time) const { // wait for duration
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        return _Assoc_state->_Wait_for(_Rel_time);
    }

    template <class _Clock, class _Dur>
    future_status wait_until(const chrono::time_point<_Clock, _Dur>& _Abs_time) const { // wait until time point
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        return _Assoc_state->_Wait_until(_Abs_time);
    }

    _Ty& _Get_value() const { // return the stored result or throw stored exception
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        return _Assoc_state->_Get_value(_Get_only_once);
    }

    void _Set_value(const _Ty& _Val, bool _Defer) { // store a result
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        _Assoc_state->_Set_value(_Val, _Defer);
    }

    void _Set_value(_Ty&& _Val, bool _Defer) { // store a result
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        _Assoc_state->_Set_value(_STD forward<_Ty>(_Val), _Defer);
    }

    void _Abandon() { // abandon shared state
        if (_Assoc_state) {
            _Assoc_state->_Abandon();
        }
    }

    void _Set_exception(exception_ptr _Exc, bool _Defer) { // store a result
        if (!valid()) {
            _Throw_future_error(make_error_code(future_errc::no_state));
        }

        _Assoc_state->_Set_exception(_Exc, _Defer);
    }

    void _Swap(_State_manager& _Other) { // exchange with _Other
        _STD swap(_Assoc_state, _Other._Assoc_state);
    }

    _Associated_state<_Ty>* _Ptr() const { // return pointer to stored associated asynchronous state object
        return _Assoc_state;
    }

    void _Copy_from(const _State_manager& _Other) { // copy stored associated asynchronous state object from _Other
        if (this != _STD addressof(_Other)) { // different, copy
            if (_Assoc_state) {
                _Assoc_state->_Release();
            }

            if (_Other._Assoc_state == nullptr) {
                _Assoc_state = nullptr;
            } else { // do the copy
                _Other._Assoc_state->_Retain();
                _Assoc_state   = _Other._Assoc_state;
                _Get_only_once = _Other._Get_only_once;
            }
        }
    }

    void _Move_from(_State_manager& _Other) { // move stored associated asynchronous state object from _Other
        if (this != _STD addressof(_Other)) { // different, move
            if (_Assoc_state) {
                _Assoc_state->_Release();
            }

            _Assoc_state        = _Other._Assoc_state;
            _Other._Assoc_state = nullptr;
            _Get_only_once      = _Other._Get_only_once;
        }
    }

    bool _Is_ready() const { // return ready status
        return _Assoc_state && _Assoc_state->_Is_ready();
    }

    bool _Is_ready_at_thread_exit() const { // return ready at thread exit status
        return _Assoc_state && _Assoc_state->_Is_ready_at_thread_exit();
    }

private:
    _Associated_state<_Ty>* _Assoc_state;
    bool _Get_only_once;
};

// CLASS TEMPLATE future
template <class _Ty>
class shared_future;

template <class _Ty>
class future : public _State_manager<_Ty> { // class that defines a non-copyable asynchronous return object
                                            // that holds a value
    using _Mybase = _State_manager<_Ty>;

public:
    future() noexcept { // construct
    }

    future(future&& _Other) noexcept : _Mybase(_STD move(_Other), true) { // true表示get只能被调用一次。
    }

    future& operator=(future&& _Right) noexcept { // assign from rvalue future object
        _Mybase::operator=(_STD move(_Right));
        return *this;
    }

    future(const _Mybase& _State, _Nil) : _Mybase(_State, true) { // construct from associated asynchronous state object
    }

    ~future() noexcept { // destroy
    }

    _Ty get() { // block until ready then return the stored result or
                // throw the stored exception
        future _Local{_STD move(*this)}; //注意，移动操作，将使调用get()函数后，future将失去与“共享状态”的关联，valid()变为无效。
        return _STD move(_Local._Get_value());
    }

    _NODISCARD shared_future<_Ty> share() noexcept { // return state as shared_future
        return shared_future<_Ty>(_STD move(*this));
    }

    future(const future&) = delete;
    future& operator=(const future&) = delete;
};

// CLASS TEMPLATE shared_future
template <class _Ty>
class shared_future : public _State_manager<_Ty> { // class that defines a copyable asynchronous return object
                                                   // that holds a value
    using _Mybase = _State_manager<_Ty>;

public:
    shared_future() noexcept { // _Mybase中将_Get_Only_once默认值设为false，表示get()可多次调用。
    }

    shared_future(const shared_future& _Other) noexcept : _Mybase(_Other) { //拷贝构造
    }

    shared_future& operator=(const shared_future& _Right) noexcept { // 拷贝赋值

        _Mybase::operator=(_Right);
        return *this;
    }

    shared_future(future<_Ty>&& _Other) noexcept
        : _Mybase(_STD forward<_Mybase>(_Other)) { // 移动构造
    }

    shared_future(shared_future&& _Other) noexcept
        : _Mybase(_STD move(_Other)) { // construct from rvalue shared_future object
    }

    shared_future& operator=(shared_future&& _Right) noexcept { // assign from shared_future rvalue object

        _Mybase::operator=(_STD move(_Right));
        return *this;
    }

    ~shared_future() noexcept { // destroy
    }

    const _Ty& get() const { // 阻塞，直到任务就绪。
        return this->_Get_value(); //返回值是个只读对象！
    }
};

【“共享状态”管理器】相关类的源码摘要

　　1. std::thread对应着系统的一个底层线程，期值和std::thread对象一样，都可以视为底层线程的句柄，也就是一个线程对象，管理着对应的底层线程。

　　2. 调用get()时，会阻塞等待直至任务完成。与future不同，shared_future的get()函数可以多次被调用。

　　3. std::future是只移动类型，而std::shared_future既可移动也可复制。

　　（1）两者的关系，就如同unique_ptr和shared_ptr。future独占“共享状态”的所有权，而shared_future会共享所有权。当调用future的share()函数时，将创建一个shared_future对象，同时原来的future将失去对“共享状态”对象的所有权，就意味着该future对象不可再使用（其valid()为false）。

　　（2）shared_future可复制，多线程可共享“共享状态”对象，可用于线程间的通信。此外，shared_future可直接保存容器中，future对象需要被move到容器中。

　　4. future/shared_future析构时，会将其关联的“共享状态”对象的引用计数自减一次。当引用计数为0时，会同时销毁“共享状态”对象。

　　5. waitfor()函数返回值的三种状态：

　　（1）future_status::ready：共享状态的标志已经变为 ready，即 Provider在共享状态上设置了值或者异常。

　　（2）future_status::timeout：超时，即在规定的时间内共享状态的标志没有变为ready。

　　（3）future_status::deferred：共享状态包含一个 deferred函数。当使用std::async创建std::launch::deferred任务时，waitfor函数的返回值不是ready，而是deferred!!!

（二）期值的析构行为分析

　　1. std::thread对象析构时，如果仍处于可联结的状态（未显式调用join()或detach()），那么程序会终止。而future/shared_future对象在析构，有时像是隐式join()，有时像隐式detach()，有时像是二者都没有执行。

　　2.期值的两种析构行为：

　　（1）常规行为：析构期值对象本身的成员变量并将其管理的“共享状态”对象的引用计数自减一次。注意，尽管期值的构析行为有时类似于隐式join或detach，但实际上它并不对任何东西实施join或detach。因此，当future配合std::thread使用时，仍需要显式调用std::thread的join或detach以防止程序被终止。这从使用std::thread的角度看也很合理，必须显式调用两者之一。

　　（2）特殊行为：析构期值时会阻塞线程。根据前面的分析，只有当“共享状态”对象为_Task_async_state类型时，才会阻塞线程直至异步任务结束。

　　3. 结论：

　　（1）只有持有_Task_async_state类型的“共享状态”的期值才会阻塞线程。因此，只有同时满足以下三个条件的期值才会表现出特殊行为，任何一个条件不满足时均只表现为常规行为。

　　　　①期值所指向的“共享状态”由调用std::async函数创建。

　　　　②任务以std::launch::async策略创建。

　　　　③该期值是最后一个指向该共享状态的期值。对于std::future而言，由于独占“共享状态”对象的所有权，因此这一点总是成立。对于std::shared_future而言，“共享状态”对象的所有权被shared_future共享，所以只有最后一个指向该对象的shared_future才表现出这种特殊行为。

　　（2）对于那些由std::async以std::launch::deferred创建的任务，在最后一个期值析构时仍没调用get或wait，则被推迟的任务将不会再有机会运行了。因为最后一个期值将会把“共享状态”对象销毁。

【编程实验】std::future和std::shared_future

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

using namespace std;

std::mutex g_mtx;

int func(int tm, std::promise<int>& pr)
{
    auto dura = std::chrono::milliseconds(tm * 100);
    std::this_thread::sleep_for(dura);
    pr.set_value(tm);

    return tm;
}

bool check_prime(int x) //判断是否是质数
{
    for (int i = 2; i < x; ++i){
        if (x % i == 0)
            return false;
    }

    return true;
}

int calcValue(int x, int y)
{
    std::lock_guard<std::mutex> lck(g_mtx);
    cout<<"calcValue: x = " << x << ", y = " << y << endl;

    return x * x + y * y;
}

int main()
{
    //1.future和shared_future的使用
    //shared_future:用于让多个线程同时等待信号
    std::promise<void> ready_promise, t1_ready_promise, t2_ready_promise;
    std::shared_future<void> ready_future = ready_promise.get_future();

    std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> start;

    //注意，ready_future按值捕获
    auto fun1 = [&, ready_future]()->std::chrono::duration<double, std::milli>
    {
        t1_ready_promise.set_value();
        ready_future.wait();  //等待，接受来自main()的信号
        return std::chrono::high_resolution_clock::now() - start; //返回start后多少时间才收到信号
    };

    auto fun2 = [&, ready_future]()->std::chrono::duration<double, std::milli>
    {
        t2_ready_promise.set_value();
        ready_future.wait(); //等待，接受来自main()的信号
        return std::chrono::high_resolution_clock::now() - start; //返回start后多少时间才收到信号
    };

    auto result1 = std::async(std::launch::async, fun1);
    auto result2 = std::async(std::launch::async, fun2);

    //等待子线程启动完成：确保两个子线程都己经运行，以防止主线程先发通知后子线程才运行。
    //两个t1/t2_ready_promise通过set_value通知主线程，两个子线程己全部启动，并进入等待主线程的通知。
    t1_ready_promise.get_future().wait(); 
    t2_ready_promise.get_future().wait(); 

    start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    //向子线程发送信号
    ready_promise.set_value();
    std::cout << "Thread 1 received the signal " << result1.get().count() << " ms after start." << endl;
    std::cout << "Thread 2 received the signal " << result2.get().count() << " ms after start." << endl;

    //1.2 用容器保存std::shared_future。
    vector<std::shared_future<int>> vec;
    auto fut1 = std::async(std::launch::async, [](int a, int b) {return a + b;}, 2, 3);
    vec.push_back(fut1.share());
    std::cout << "The shared_future result is " <<vec[0].get() << endl;

    ////2. wait_for的返回值类型
    auto fut2 = std::async(std::launch::deferred, calcValue, 1, 2); //延时函数，同步任务
    auto fut3 = std::async(std::launch::async, []() {std::this_thread::sleep_for(1s); });//异步任务

    if (fut2.wait_for(0s) == std::future_status::deferred) {
        cout <<"fut2 is a deferred task!" << endl;
    }

    cout << "waiting";
    while (fut3.wait_for(20ms) != std::future_status::ready) { // std::future_status::timeout
        cout << ".";
    }
    cout << endl;

    //3. 期值的析构行为
    //3.1常规行为：期值析构时，并不对任何东西实施join或detach
    {
        std::promise<int> pr;
        std::future<int> fut = pr.get_future();

        std::thread th(func, 10, std::ref(pr)); 
        th.detach(); //必须确保在th析构前，调用join或detach

        auto res = fut.get();

        cout << res << endl;
    }

    {
        std::packaged_task<int(int, int)> pt(calcValue);
        auto fut = pt.get_future();
        std::thread th(std::move(pt), 1, 2); //pt是只移动类型
        cout << fut2.get() << endl;
        th.join(); //th析构前，必须调用join()或detach()，可放入get之前或之后。
    }

    //3.2 特殊行为
    {
        //由async创建的std::launch::async类型的任务，会在fut离开作用域阻塞等待任何完成（类似于隐式join）
        auto fut1 = std::async(std::launch::async, calcValue, 3, 4);
 
        //std::launch::deferred类型的任务，在fut2离开作用域时并不会阻塞等待（普通析构行为！）。
        auto fut2 = std::async(std::launch::deferred, check_prime, 123456);

        //如果不调用fut2.get()，任务永远不会被执行。
        if (fut2.get()) {//阻塞等待子线程结束，并获取任务的结果。
            cout << "123456 is prime." << endl;
        }
        else {
            cout << "123456 is not prime." << endl;
        }
    } 

    return 0;
}
/*输出结果
Thread 1 received the signal 0.0199 ms after start.
Thread 2 received the signal 0.0139 ms after start.
The shared_future result is 5
fut2 is a deferred task!
waiting...............................................
10
calcValue: x = 1, y = 2
5
calcValue: x = 1, y = 2
123456 is not prime.
calcValue: x = 3, y = 4
*/