Structured Concurrency：結構化併發

来源:https://www.cnblogs.com/circlelll/archive/2023/11/29/17863575.html
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一、參考 https://ericniebler.com/2020/11/08/structured-concurrency/ 二、總結 1. 結構化併發是什麼-概述 是什麼：一種確保子操作在父操作之前完成的方式，類似函數在調用函數之前完成。 最典型的結構化併發：C++20的協程 意義：它通過使非同步 ...


一、參考

https://ericniebler.com/2020/11/08/structured-concurrency/

二、總結

1. 結構化併發是什麼-概述

是什麼：一種確保子操作在父操作之前完成的方式，類似函數在調用函數之前完成。

最典型的結構化併發：C++20的協程

意義：它通過使非同步生存期與普通C++詞法作用域相對應，為非同步程式帶來了現代C++風格，並且不需要引用計數（智能指針，垃圾回收）來管理對象的生命周期

總結：即使在併發環境中，函數嵌套調用時參數的作用域也是嚴格嵌套的，不需要用智能指針（shared_ptr）之類的技術，也不會發生不小心的記憶體泄露--對象的生命周期

2. 為什麼需要結構化併發

2.1 結構化編程

具有嚴格的嵌套作用域和生命周期，併發情況下需考慮

2.2 多線程編程的困境

併發場景下編程難度大：

①對象生命周期已經結束，但是其他線程仍需要訪問，會導致懸空引用問題，此時需要智能指針通過引用計數來管理其生命周期

②與作用域相關的生命周期不清晰

2.3 非結構化併發

非結構化非同步編程很難保證正確性和效率，且編程複雜，且沒有辦法強制要求子任務在父任務之前完成

3. 結構化併發-深入

3.1 庫

協程：Lewis Baker’s popular cppcoro library

提升：

①只需要一個函數

②狀態保存在本地變數，而不需要保存在需要的引用計數的共用變數

③可使用一般的c++錯誤處理技術

④從結構保證了子操作在父操作之前完成

3.2 取消機制

從結構保證了子操作在父操作之前完成（也就是說，如果父操作先完成，需要等待子操作）

為了避免為不再需要結果的子操作等待不必要的長時間，我們需要一種能夠取消這些子操作的機制，以便它們快速完成。

3.3 結構化併發>協程

結構化併發：特定模式中的回調，可以在沒有協程的情況下實現結構化併發

4. 程式示例

場景：存在一個子操作，父任務需要此操作的結果

編譯運行環境：ubuntu22.04.3

①單線程：主線程等待子線程結束

耗時操作：computeResult

調用者：doThing

#include <iostream>
#include <unistd.h>

struct State{
	int result;
};

// synchronous
void computeResult(State & s)
{
	int time = 30;
	sleep(time);	// 用sleep模擬耗時操作
	s.result = time;
}

int doThing() {
	State s;
	computeResult(s);
	return s.result;
}

int main()
{
	std::cout << "result: " << doThing() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp
// output: result:30

關註State s;的聲明周期

②使用std::future：獲取子線程的結果

#include <future>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

struct State{
    int result;
};

int computeResult(State &s)
{
    int time = 30;
    sleep(time);
    s.result = time;
    
    std::cout << "p1" << std::endl;
    
    return 1;
}

std::future<int> doThing() 
{
    std::cout << "p2" << std::endl;

    State s;
    std::future<int> fut = std::async(computeResult, s);
    return fut;
}

int main()
{
    std::cout << "p3" << std::endl;
    auto fut = doThing();
    std::cout << "result:" << fut.get() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp
// 編譯階段不通過: 無法傳遞引用類型的函數參數
// main.cpp:24:38: error: no matching function for call to ‘async(int (&)(State&), State&)’
//    24 |     std::future<int> fut = std::async(computeResult, s);

註意State s;的生命周期，使用智能指針shared_ptr管理State s;

#include <future>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

struct State{
    int result;
};

int computeResult(std::shared_ptr<State> s)
{
    int time = 30;
    sleep(time);
    (*s).result = time;

    std::cout << "p1" << std::endl;

    return 1;
}

std::future<int> doThing() 
{
    std::cout << "p2" << std::endl;

    std::shared_ptr<State> s = std::make_shared<State>(); 
    std::future<int> fut = std::async(computeResult, s);    // std::async可以傳遞帶有函數及其參數（參數是引用類型無法會出錯），但是boost::async傳不了多個參數-解決：使用std::bind綁定
    return fut; // std::future沒有類似boost::future的then函數
}

int main()
{
    std::cout << "p3" << std::endl;
    auto fut = doThing();
    std::cout << "result:" << fut.get() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp
// output：
/*p3
p2
result:p1
1*/

②使用boost::future獲取結果：父操作需要子操作的結果

參考：http://www.bryh.cn/a/142977.html

註意：使用boost::future需要設置巨集#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE

// 寫法一
#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE
#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE_CONTINUATION
#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/thread/future.hpp>
#include <iostream>

struct State{
    int result;
};

// asynchronous
boost::future<void> computeResult(State &s)
{
    int time = 30;
    sleep(time);
    s.result = time;
    std::cout << "p1" << std::endl;
}

boost::future<int> doThing() {
    State s;
    auto fut = computeResult(s);
    std::cout << "p2" << std::endl;
    return fut.then(
      [&](auto&&) { return s.result; }); //OOPS
}

int main()
{
    std::cout << "p3" << std::endl;
    auto fut = doThing();
    std::cout << "result:" << fut.get() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp -lboost_thread
// output: 
/*
p3
p1
p2
terminate called after throwing an instance of 'boost::wrapexcept<boost::lock_error>'
  what():  boost: mutex lock failed in pthread_mutex_lock: Invalid argument
已放棄 (核心已轉儲)
*/

// 寫法二
#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE
#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE_CONTINUATION
#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/thread/future.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <unistd.h>

struct State{
    int result;
};

int computeResult(State &s)
{
    std::cout << "p1" << std::endl;

    int time = 30;
    sleep(time);
    s.result = time;
    return 1;
}

boost::future<int> doThing() {
    std::cout << "p2" << std::endl;

    State s;
    boost::future<int> fut = boost::async(boost::bind(computeResult, s));
    return fut.then(
     [&](auto&&) { return s.result; }); //OOPS
}

int main()
{
    std::cout << "p3" << std::endl;
    auto fut = doThing();
    std::cout << "result:" << fut.get() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp -lboost_thread
// output: 
/*
p3
p2
result:p1
21978
*/

寫法一問題：State s;的聲明周期：其超出doThing作用域範圍消亡時，computeResult仍可能在訪問或使用這個變數，此時引用懸空，引發程式崩潰，即當computeResult線程試圖訪問或修改已經被銷毀的State對象時，會發生未定義的行為。在這種情況下，嘗試從返回的future對象中獲取結果可能會導致不可預測的結果或程式崩潰。

寫法二問題：未獲取到正確的值，因為s是局部的，並且當doThing返回時會被銷毀，所以嘗試訪問它的result成員是未定義的行為（標記為"OOPS"）

解決：使用智能指針shared_ptr管理

#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE
#define BOOST_THREAD_PROVIDES_FUTURE_CONTINUATION
#include <boost/thread.hpp>
#include <boost/thread/future.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <unistd.h>

struct State{
    int result;
};

int computeResult(std::shared_ptr<State> s)
{
    std::cout << "p1" << std::endl;

    int time = 30;
    sleep(time);
    (*s).result = time;
    return 1;
}

boost::future<int> doThing() {
    std::cout << "p2" << std::endl;

    std::shared_ptr<State> s = std::make_shared<State>();
    boost::future<int> fut = boost::async(boost::bind(computeResult, s));
    return fut.then(
     [&](auto&&) { return (*s).result; });
}

int main()
{
    std::cout << "p3" << std::endl;
    auto fut = doThing();
    std::cout << "result:" << fut.get() << std::endl;
}

// compile: g++ main.cpp -lboost_thread
// output: 
/*
p3
p2
result:p1
30
*/

④使用結構化併發：cppcoro庫---一個用於C++20的協程庫，它提供了一個輕量級和易於使用的協程支持

未實際編譯

cppcoro::task<> computeResult(State & s);
 
cppcoro::task<int> doThing() {
  State s;
  co_await computeResult(s);
  co_return s.result;
}

本文來自博客園，作者：circlelll，轉載請註明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/circlelll/p/17863575.html


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