【C++11】std::async函数介绍及问题梳理

目录

🌞1. std::async 简介

🌞2. 问题梳理

🌊2.1 std::async 到 future get 直接调用会如何抛异常

🌊2.2 std::async 如果通过劫持让 new 内存不够，有没有可能抛异常

🌊2.3 std::async 如果系统线程不够有没有可能异常

🌞1. std::async 简介

std::async 是 C++11 标准库中用于异步执行的函数，会返回一个 std::future 对象，以获取函数的执行结果。可用其在新线程中执行函数，也可以在当前线程中执行。std::async 的函数声明形式通常如下：

template <typename F, typename... Args>
std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> std::async(std::launch policy, F&& f, Args&&... args);

说明：

  • template <typename F, typename... Args>：函数模板声明。F 是要执行的函数类型，Args... 是函数参数类型的模板参数包（variadic template parameter）。这意味着函数可以接受任意数量的参数。

  • std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>：这是 std::async 函数的返回类型。它是一个 std::future 对象，包装了函数 F 的返回类型。std::future 允许在未来的某个时间点获取函数的执行结果。

  • std::async(std::launch policy, F&& f, Args&&... args)：这是函数 std::async 的声明。它接受三个参数：

    • policy： std::launch 类型的参数，表示函数执行的策略。
      可以是 std::launch::async（在新线程中异步执行）或 std::launch::deferred（延迟执行，在调用 std::future::get() 或 std::future::wait() 时执行）。
    • f：通用引用（universal reference），表示要执行的函数对象。通用引用允许 f 接受任意类型的参数。
    • args：这是函数 f 的参数列表。可以是零个或多个参数。

  • 这个函数的作用是根据给定的执行策略异步执行函数 f，并返回一个 std::future 对象，可用来等待函数的执行完成并获取函数的结果。

注意：

std::async 的行为受到执行策略参数【 std::launch 类型的参数】的影响，可能在调用时立即执行，也可能延迟到 std::future::get() 或 std::future::wait() 被调用时才执行。

🌞2. 问题梳理

🌊2.1 std::async 到 future get 直接调用会如何抛异常

std::async 到 std::future::get 直接调用会抛出异常，主要有两种情况：

  1. 函数对象抛出异常。
  2. 如果使用 std::launch::async 策略，并在调用 std::future::get 之前函数执行抛出了异常，这种情况下会导致 std::future::get 抛出 std::future_error 异常。

【示例1】函数对象抛出异常

#include <iostream>
#include <future>// 抛出异常
void task1() {throw std::runtime_error("An error occurred in task1()");
}int main() {try {// 使用 std::async 启动一个异步任务auto future1 = std::async(std::launch::async, task1);// 等待异步任务的完成并获取结果future1.get(); // 这里会抛出异常} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}//输出内容：
Caught exception:An error occurred in task1()

该示例中，task1 函数会抛出异常。当调用 future1.get() 时，如果 task1 函数抛出异常，std::future::get 也会抛出异常。

【示例2】使用 std::launch::async 策略并在函数执行前抛出异常

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>
#include <chrono>// 在函数执行前抛出异常的函数
void task2() {// 人为延迟，增加在调用 std::future::get 前抛出异常的机会std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));throw std::runtime_error("An error occurred in task2()");
}int main() {try {// 使用 std::async 启动一个异步任务，使用 std::launch::async 策略auto future2 = std::async(std::launch::async, task2);// 在get函数执行前抛出异常throw std::runtime_error("An error occurred before calling future2.get()");// 等待异步任务的完成并获取结果future2.get(); // 这里会抛出 std::future_error 异常} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}//输出内容：
Caught exception: An error occurred before calling future2.get()

该示例中，task2 函数会在std::future::get 函数执行前抛出异常。

在 main 函数中，虽然调用 future2.get() 前手动抛出了异常，但是由于使用了 std::launch::async 策略，task2 函数会在新线程中执行【std::future::get() 调用则在当前线程（即主线程）中执行】。因此，即使在主线程中抛出了异常，新线程中的任务函数也会继续执行：std::future::get 会等待 task2 函数执行完成【含加入的延时：100毫秒】，然后抛出 std::future_error 异常，说明在获取结果之前已经发生异常。

🌊2.2 std::async 如果通过劫持让 new 内存不够，有没有可能抛异常

std::async 不会直接抛出异常来处理内存不足的情况。在 C++ 中，当 new 操作符无法分配所需的内存时，会抛出 std::bad_alloc 异常。但std::async 不会直接抛出该异常。

在 std::async 中，任务可能在一个新线程中执行，也可能在当前线程中执行。如果任务在新线程中执行，并且在该新线程中发生了内存分配失败，那么系统会终止整个程序，而不是将异常传递回调用 std::async 的地方。【这是因为线程的异常不能跨线程传递】

这是因为C++的异常处理机制不能跨线程传播。当一个异常在一个线程中被抛出，而没有被捕获时，它会导致这个线程终止。如果异常发生在 std::async 创建的新线程中，并且在那里没有被捕获，那么整个线程会终止，但异常不会被传递回调用 std::async 的线程。

所以，虽然劫持 new 可以模拟内存不足的情况，但由于异常处理机制的限制，std::async 并不能捕获由于新线程中的内存分配失败而导致的异常。

所以，如果在 std::async内部发生了内存分配失败，程序通常会终止并可能会生成错误报告，而不是抛出异常到 std::async 的调用者。因此，对于内存不足的情况，最好在程序中进行适当的内存管理和异常处理，而不是依赖于 std::async 来处理此类问题。

【示例1】系统内存不足导致异常

#include <iostream>
#include <future>
#include <vector>
#include <cstdlib>void task() {// 尝试分配大量内存，可能导致内存不足std::vector<int> v(1000000000); // 尝试分配 4 GB 的内存
}int main() {try {// 尝试启动一个异步任务auto future = std::async(std::launch::async, task);// 等待异步任务的完成并获取结果future.get();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}//输出内容：
Caught exception:bad allocation

该示例中，task 函数尝试分配大量内存。如果系统内存不足，std::vector 的构造函数将抛出 std::bad_alloc 异常。由于这个异常没有在 task 函数内部被捕获，因此异常会传播到 std::async 调用处，进而抛出 std::system_error 异常。

【示例2】劫持 new 让 new 内存不够抛异常

#include <iostream>
#include <future>void* operator new(size_t size) {std::cout << "Overloaded new called with size: " << size << std::endl;// 模拟内存不足的情况，分配失败throw std::bad_alloc();
}int main() {try {// 调用std::async，启动一个异步任务auto future = std::async(std::launch::async, [](){// 在这个异步任务中进行一些内存分配操作int* ptr = new int[100000000]; // 尝试分配非常大的内存delete[] ptr;});// 获取异步任务的结果future.get();} catch(const std::bad_alloc& e) {// 捕获异常并输出错误信息std::cerr << "Caught bad_alloc exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}//输出内容：
Overloaded new called with size: 176
Caught bad_alloc exception:bad allocation

该示例中，重载 new 运算符，使其抛出 std::bad_alloc 异常，而不是实际分配内存。在 task 函数内部，尝试分配大量内存，并捕获了 std::bad_alloc 异常。由于 new 运算符的劫持，内存分配失败时会抛出异常。这个异常会在 std::async 调用处被捕获。

🌊2.3 std::async 如果系统线程不够有没有可能异常

这种情况下，std::async 可能会抛出 std::system_error 异常。

在使用 std::async 时，如果系统线程不够，可能会导致无法启动新线程而引发异常。这通常不是由于内存不足引起的，而是由于达到了系统对同时运行线程数量的限制。

【示例】系统线程不够抛异常

#include <iostream>
#include <future>
#include <vector>
#include <thread>
#include <chrono>void task() {// 模拟一个耗时的任务std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));std::cout << "Task executed in thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
}int main() {try {std::vector<std::future<void>> futures;// 启动多个异步任务for (int i = 0; i < 10000000000000; ++i) {futures.push_back(std::async(std::launch::async, task));}// 等待所有异步任务完成for (auto& future : futures) {future.get();}} catch(const std::system_error& e) {// 捕获系统错误异常并输出错误信息std::cerr << "Caught system_error exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

该示例启动了多个异步任务，每个任务执行一个模拟的耗时操作。如果系统没有足够的线程资源来启动这些线程，会抛出 std::system_error 异常。

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