C++ 多线程详解之异步编程 std::packaged_task

std::packaged_task 将任何可调用对象（比如函数、lambda 表达式等等）封装成一个 task，可以异步执行。执行结果可以使用 std::future 获取。

比如下面的例子，构造一个 std::packaged_task 后，get_future() 函数返回一个 std::future 对象，可以获取 task 异步或者同步执行的结果。

#include <cmath>
#include <functional>
#include <future>
#include <iostream>
#include <thread>

// unique function to avoid disambiguating the std::pow overload set
int f(int x, int y) 
{
     return std::pow(x, y); 
}

void task_lambda() 
{
  std::packaged_task<int(int, int)> task([](int a, int b) 
  {
     return std::pow(a, b); });
  }
  std::future<int> result = task.get_future();

  task(2, 9);

  std::cout << "task_lambda:\t" << result.get() << std::endl;
}

void task_bind() 
{
  std::packaged_task<int()> task(std::bind(f, 2, 11));
  std::future<int> result = task.get_future();

  task();

  std::cout << "task_bind:\t" << result.get() << 
std::endl;
}

void task_thread()
{
  std::packaged_task<int(int, int)> task(f);
  std::future<int> result = task.get_future();

  std::thread task_td(std::move(task), 2, 10);
  task_td.join();

  std::cout << "task_thread:\t" << result.get() << 
std::endl;
}

int main() 
{
  task_lambda();
  task_bind();
  task_thread();
}

std::packaged_task 是如何实现的呢？下面就剖析 STL 源码，分析其实现原理。通过前面的分析，std::future 有一个成员变量，保存 _State_base 的子类对象。std::packaged_task 就拓展了 _State_base 的功能，用于绑定到 std::future，用于传递 task 状态。

1、_Task_state

在介绍 _Task_state 之前，先介绍其基类 _Task_state_base。_Task_state_base 继承 __future_base::_State_base 。1）定义了 _Task_state 的接口；2）定义了一个成员变量，用于保存 result。该成员变量在构造函数中被初始化。

  template<typename _Res, typename... _Args>
    struct __future_base::_Task_state_base<_Res(_Args...)>
    : __future_base::_State_base
    {
      typedef _Res _Res_type;

      template<typename _Alloc>
    _Task_state_base(const _Alloc& __a)
    : _M_result(_S_allocate_result<_Res>(__a))
    { }

      // Invoke the stored task and make the state ready.
      virtual void
      _M_run(_Args&&... __args) = 0;

      // Invoke the stored task and make the state ready at thread exit.
      virtual void
      _M_run_delayed(_Args&&... __args, weak_ptr<_State_base>) = 0;

      virtual shared_ptr<_Task_state_base>
      _M_reset() = 0;

      typedef __future_base::_Ptr<_Result<_Res>> _Ptr_type;
      _Ptr_type _M_result;
    };

_Task_state 继承 _Task_state_base，实现接口函数。此外，新增加一个成员变量 _M_impl，用于保存可调用对象。

  // Holds a packaged_task's stored task.
  template<typename _Fn, typename _Alloc, typename _Res, typename... _Args>
    struct __future_base::_Task_state<_Fn, _Alloc, _Res(_Args...)> final
    : __future_base::_Task_state_base<_Res(_Args...)>
    {
      template<typename _Fn2>
    _Task_state(_Fn2&& __fn, const _Alloc& __a)
    : _Task_state_base<_Res(_Args...)>(__a),
      _M_impl(std::forward<_Fn2>(__fn), __a)
    { }

//...
      struct _Impl : _Alloc
      {
    template<typename _Fn2>
      _Impl(_Fn2&& __fn, const _Alloc& __a)
      : _Alloc(__a), _M_fn(std::forward<_Fn2>(__fn)) { }
    _Fn _M_fn;
      } _M_impl;
    };

下面是接口 _M_run() 和 _M_run_delayed() 的实现。

_M_run() 函数将可调用对象和参数打包成一个 lambda 表达式，构造成一个 _S_task_setter 对象，然后传入 _M_set_result() 函数。_M_set_result() 函数会调用传入的 lambda 表达式，然后将结果传到 result。

_M_set_delayed_result() 函数也是相同的实现逻辑。

      virtual void
      _M_run(_Args&&... __args)
      {
    auto __boundfn = [&] () -> _Res {
        return std::__invoke_r<_Res>(_M_impl._M_fn,
                     std::forward<_Args>(__args)...);
    };
    this->_M_set_result(_S_task_setter(this->_M_result, __boundfn));
      }

      virtual void
      _M_run_delayed(_Args&&... __args, weak_ptr<_State_base> __self)
      {
    auto __boundfn = [&] () -> _Res {
        return std::__invoke_r<_Res>(_M_impl._M_fn,
                     std::forward<_Args>(__args)...);
    };
    this->_M_set_delayed_result(_S_task_setter(this->_M_result, __boundfn),
                    std::move(__self));
      }

然后是 _M_reset() 函数实现：使用移动语义，用可调用对象重新构造一个 _Task_state_base 对象。

  template<typename _Signature, typename _Fn,
       typename _Alloc = std::allocator<int>>
    static shared_ptr<__future_base::_Task_state_base<_Signature>>
    __create_task_state(_Fn&& __fn, const _Alloc& __a = _Alloc())
    {
      typedef typename decay<_Fn>::type _Fn2;
      typedef __future_base::_Task_state<_Fn2, _Alloc, _Signature> _State;
      return std::allocate_shared<_State>(__a, std::forward<_Fn>(__fn), __a);
    }

  template<typename _Fn, typename _Alloc, typename _Res, typename... _Args>
    shared_ptr<__future_base::_Task_state_base<_Res(_Args...)>>
    __future_base::_Task_state<_Fn, _Alloc, _Res(_Args...)>::_M_reset()
    {
      return __create_task_state<_Res(_Args...)>(std::move(_M_impl._M_fn),
                         static_cast<_Alloc&>(_M_impl));
    }

通过上面的分析，只要调用 _M_run() 函数，传入的可调用对象就会被执行，其结果被设置到 result。

2、std::packaged_task

std::packaged_task 有一个 _Task_state_base 的成员变量 _M_state，在构造函数中被初始化。get_future() 就是使用 _M_state 构造一个 std::future 对象返回。

std::packaged_task 重载了调用运算符 operator()，成员可调用对象。一旦调用，_M_run() 函数就会被执行。

  /// packaged_task
  template<typename _Res, typename... _ArgTypes>
    class packaged_task<_Res(_ArgTypes...)>
    {
      typedef __future_base::_Task_state_base<_Res(_ArgTypes...)> _State_type;
      shared_ptr<_State_type>                   _M_state;

      // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
      // 3039. Unnecessary decay in thread and packaged_task
      template<typename _Fn, typename _Fn2 = __remove_cvref_t<_Fn>>
    using __not_same
      = typename enable_if<!is_same<packaged_task, _Fn2>::value>::type;

    public:
      // Construction and destruction
      packaged_task() noexcept { }

      template<typename _Fn, typename = __not_same<_Fn>>
    explicit
    packaged_task(_Fn&& __fn)
    : _M_state(
        __create_task_state<_Res(_ArgTypes...)>(std::forward<_Fn>(__fn)))
    { }

#if __cplusplus < 201703L
// ...
#endif

      ~packaged_task()
      {
        if (static_cast<bool>(_M_state) && !_M_state.unique())
      _M_state->_M_break_promise(std::move(_M_state->_M_result));
      }

      // No copy
      packaged_task(const packaged_task&) = delete;
      packaged_task& operator=(const packaged_task&) = delete;

      // Move support
      packaged_task(packaged_task&& __other) noexcept
      { this->swap(__other); }

      packaged_task& operator=(packaged_task&& __other) noexcept
      {
    packaged_task(std::move(__other)).swap(*this);
    return *this;
      }

      void
      swap(packaged_task& __other) noexcept
      { _M_state.swap(__other._M_state); }

      bool
      valid() const noexcept
      { return static_cast<bool>(_M_state); }

      // Result retrieval
      future<_Res>
      get_future()
      { return future<_Res>(_M_state); }

      // Execution
      void
      operator()(_ArgTypes... __args)
      {
    __future_base::_State_base::_S_check(_M_state);
    _M_state->_M_run(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
      }

      void
      make_ready_at_thread_exit(_ArgTypes... __args)
      {
    __future_base::_State_base::_S_check(_M_state);
    _M_state->_M_run_delayed(std::forward<_ArgTypes>(__args)..., _M_state);
      }

      void
      reset()
      {
    __future_base::_State_base::_S_check(_M_state);
    packaged_task __tmp;
    __tmp._M_state = _M_state;
    _M_state = _M_state->_M_reset();
      }
    };