（七）异步编程

异步编程（Asynchronous Programming）是一种编程模型，它允许程序在等待某个操作（如I/O操作、网络请求等）完成时，不阻塞当前线程的执行。在并发编程中，可以使用异步编程来避免线程阻塞，提高资源的利用率。异步编程可以看作是并发编程的一种策略或技术。 C++ 标准库中的std::future 和 std::async 用于支持异步编程。

• std::async 是一个函数模板，它用于启动一个异步任务。这个函数接受一个可调用的对象（如函数、Lambda 表达式、函数对象等）作为参数，并在一个单独的线程（或可能是线程池中的线程，具体取决于实现）上异步执行它。std::async 返回一个 std::future 对象，该对象持有异步操作的结果。
• std::future 是一个模板类，用于表示异步操作的结果。当你调用 std::async 来启动一个异步任务时，它会返回一个 std::future 对象。你可以使用这个对象来检查异步操作是否完成（通过 std::future::valid() 或 std::future::wait_for()/std::future::wait_until() 方法），或者获取异步操作的结果（通过 std::future::get() 方法）。

下面展示如何使用 std::future 和 std::async 来异步计算一个数的平方：

#include <iostream>  
#include <future>
#include <thread>
#include <chrono>
  
// 计算平方的函数  
int square(int x) {  
    auto start = std::chrono::system_clock::now();  
      
    // 为了模拟一个耗时的操作，我们让线程休眠一段时间  
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));  
      
    auto end = std::chrono::system_clock::now();  
    std::chrono::duration<double> diff = end - start;  
    std::cout << "Square computation took " << diff.count() << " seconds.\n";  
      
    return x * x;  
}  
  
int main() {  

    auto start_main = std::chrono::system_clock::now();  
      
    // 使用 std::async 启动一个异步任务，并传递 square 函数和参数 5  
    std::future<int> result = std::async(std::launch::async, square, 5);  
  

    std::cout << "Square computation is in progress...\n";  
  
    // 模拟主线程执行其他任务  
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  
      

    auto after_other_task = std::chrono::system_clock::now();  
    std::chrono::duration<double> diff_other_task = after_other_task - start_main;  
    std::cout << "Main thread did something else after " << diff_other_task.count() << " seconds.\n";  
 
    // 调用 get()  获取square 函数的结果  
    // 注意：调用 get() 函数会阻塞当前线程，直到结果可用  
    int value = result.get();  
  
    // 输出结果和获取结果所用的时间  
    auto end_main = std::chrono::system_clock::now();  
    std::chrono::duration<double> diff_result = end_main - start_main;  
    std::cout << "The square of 5 is " << value << ". Got result after " << diff_result.count() << " seconds.\n";  
  
    return 0;  
}

Square computation is in progress...
Main thread did something else after 1.01517 seconds.
Square computation took 2.0062 seconds.
The square of 5 is 25. Got result after 2.00861 seconds.

在这个示例中，异步任务（计算5的平方）需要2秒钟来完成。然而，主线程在启动异步任务后立即继续执行，并在1秒钟后输出“Main thread is doing something else...”。这表明主线程在等待异步任务完成期间没有被阻塞，而是继续执行了其他任务。最后，当主线程需要异步任务的结果时，它调用result.get()，这时如果异步任务还没有完成，主线程将会被阻塞，直到结果可用。