C++11 future、promise实现原理

前言

        针对异步调用实现，可以将整体任务分为两个部分：任务的提交和任务结果的获取。通过分离这两个部分可以将任务的执行阶段交给其他线程执行，对于一些耗时任务、阻塞任务来说会提升任务提交线程的任务处理能力。在C++11中提供了std::future 和 std::promise两种对象来实现上述需求。

一、双方关系

        对于future和promise的两者关系：future和promise中间维护了一个内存区域（共享状态），该区域是两方进行数据交互的“中间商”。针对一个异步实现过程中，首先有一个异步任务的创建方，也就是异步任务的提交者，它对应future，通过future提供的get方法可以获取异步调用的结果，即从共享状态区域中获取promise存入的数据内容。另一方为异步任务的执行方，它对应promise。通过promise内部对应的set_value方法可以将数据存入共享状态区域，待后续future获取异步任务执行结果。

        从英文含义来看，future：期待/期望 promise：承诺/诺言。future对象期待某些东西，promise会给future一个承诺，即回应他的期待。而共享状态作为promise向future所期待的兑现自己的承诺。

        两者关系图如下：

二、底层实现

​    对于future和promise的底层实现中，根据上图对共享状态有了一个了解。对于双方而言，promise和future之间通过共享状态实现异步信息的传递。该共享状态底层实现与shared_ptr的引用计数相同。当promise被创建之时，会创建一个关联状态对象（state），即共享状态。该关联状态对象内部的计数器初始值为0。此时创建一个future，其构造函数的入参需要一个关联状态对象指针来实现promise和future关联关系的建立。此时一个promise和future的关联关系建立完成。

​    对于future的get使用，future的get方法首先会创建一个unique_ptr指针管理future中的state变量，并创建一个临时指针指向state，然后将future中的state变量置为nullptr，最后返回值返回该临时变量的值，即state中的数据内容。如果此时的关联状态中promise还没添加数据，即此时的共享状态区域中还没有数据，会阻塞当前线程。对于数据是否准备好通过state的状态是否为ready状态判断。因此在使用get时需要注意，get取数据只能调用一次，如果连续调用get会出现异常。因为一个future需要绑定一个state，而当调用get时会取出之前绑定好的state中的数据内容，并将state置为nullptr，如果连续调用，此时state为nullptr就会返回异常。

​    对于promise的set_value使用，promise的set_value方法同理会先检查是否关联了一个state，如果未关联则抛出异常。正常的绑定则进行赋值操作。其中赋值操作可以使用左值版本也可以使用右值版本。对于set_value对state的具体操作为，首先创建一个unique_lock的临时对象上锁，然后判断当前state是否已经被赋值，如果已经赋值的话则抛出异常，如果未赋值则正常进行赋值。然后修改当前state状态为ready状态。最后调用state内部的条件变量，唤醒阻塞在当前state上的线程，即如果future提前进行get操作想要获取state中的数据会进入阻塞，此时promise进行state赋值后会唤醒future。

三、线程安全性

​    对于promise和future的线程安全性分析，应该从共享的部分入手，即state。对于state的使用是否线程安全就决定了future和promise是否线程安全。因此future和promise是线程安全的。

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