4.2.4 将异常存与期望值中
看完下面短小的代码段，思考一下，当你传递-1到square_root()中时，它将抛出一个异常，并且让这个异常被调用者看到：
double square_root(double x) { if(x<0) { throw std::out_of_range(“x<0”); } return sqrt(x); }
假设调用square_root()函数不是当前线程，
double y=square_root(-1);
将调用改为异步调用：
std::future<double> f=std::async(square_root,-1); double y=f.get();
如果行为是完全相同时，其结果是理想的；任何情况下，y获得函数调用的结果，当线程调用f.get()时，就能再看到异常了，即使在一个单线程例子中。
好吧，事实的确如此：函数作为 std::async 的一部分时，当调用抛出一个异常时，这个异常就会存储到期望值中，之后期望值的状态被置为“就绪”，之后调用get()会抛出这个已存储异常(注意：标准级别没有指定重新抛出的这个异常是原始的异常对象，还是一个拷贝；不同的编译器和库将会在这方面做出不同的选择)。将函数打包入 std::packaged_task 任务包中后，到任务被调用时，同样的事情也会发生；打包函数抛出一个异常，这个异常将被存储在期望值中，准备在get()调用时再次抛出。
当然，通过函数的显式调用， std::promise 也能提供同样的功能。当存入的是一个异常而非一个数值时，就需要调用set_exception()成员函数，而非set_value()。这通常是用在一个catch块中，并作为算法的一部分，为了捕获异常，使用异常填充承诺值：
extern std::promise<double> some_promise; try { some_promise.set_value(calculate_value()); } catch(...) { some_promise.set_exception(std::current_exception()); }
这里使用了 std::current_exception() 来检索抛出的异常，可用 std::copy_exception() 作为一个替代方案， std::copy_exception() 会直接存储一个新的异常而不抛出：
some_promise.set_exception(std::copy_exception(std::logic_error("foo ")));
这比使用try/catch块更加清晰，当异常类型已知，就应该优先被使用；不是因为代码实现简单，而是它给编译器提供了极大的代码优化空间。
另一种向期望值中存储异常的方式是，在没有调用承诺值上的任何设置函数前，或正在调用包装好的任务时，销毁与 std::promise 或 std::packaged_task 相关的期望值对象。任何情况下，当期望值的状态还不是“就绪”时，调用 std::promise 或 std::packaged_task 的析构函数，将会存储一个与 std::future_errc::broken_promise 错误状态相关的 std::future_error 异常；
通过创建一个期望值，可以构造一个承诺值为其提供值或异常；可以通过销毁值和异常源，去违背承诺值。这种情况下，编译器没有在期望值中存储任何东西，等待线程可能会永远的等下去。
直到现在，例子都在用 std::future 。不过， std::future 也有局限性。很多线程在等待的时候，只有一个线程能获取等待结果。当多个线程需要等待相同的事件的结果，就需要使用 std::shared_future 来替代 std::future 了。
4.2.5 多个线程的等待
虽然 std::future 可以处理所有在线程间数据转移的同步，但是调用某一特殊 std::future 对象的成员函数，就会让这个线程的数据和其他线程的数据不同步。多线程在没有额外同步的情况下，访问一个独立的 std::future 对象时，就会有数据竞争和未定义的行为。这是因为 std::future 模型独享同步结果的所有权，并且通过调用get()函数，一次性的获取数据，这就让并发访问变的毫无意义——只有一个线程可以获取结果值，因为在第一次调用get()后，就没有值可以再获取了。
如果并行代码没有办法让多个线程等待同一个事件，先别太失落， std::shared_future 可以来帮你解决。因为 std::future 是只移动的，所以其所有权可以在不同的实例中互相传递，但是只有一个实例可以获得特定的同步结果，而 std::shared_future 实例是可拷贝的，所以多个对象可以引用同一关联期望值的结果。
每一个 std::shared_future 的独立对象上，成员函数调用返回的结果还是不同步的，所以为了在多个线程访问一个独立对象时避免数据竞争，必须使用锁来对访问进行保护。优先使用的办法：为了替代只有一个拷贝对象的情况，可以让每个线程都拥有自己对应的拷贝对象。
这样，当每个线程都通过自己拥有的 std::shared_future 对象获取结果，那么多个线程访问共享同步结果就是安全的。可见图4.1。
可能会使用 std::shared_future 的情况，例如：实现类似于复杂的电子表格的并行执行；每一个单元格有单一的终值，这个终值可能是由其他单元格中的数据通过公式计算得到的。公式计算得到的结果依赖于其他单元格，然后可以使用一个 std::shared_future 对象引用第一个单元格的数据。当每个单元格内的所有公式并行执行后，任务会以期望的方式完成工作；
不过，当其中有计算需要依赖其他单元格的值，那么它就会被阻塞，直到依赖单元格的数据准备就绪。这将让系统在最大程度上使用硬件并发。
std::shared_future 的实例同步 std::future 实例的状态。当 std::future 对象没有与其他对象共享同步状态所有权，那么所有权必须使用 std::move 将所有权传递到 std::shared_future ，其默认构造函数如下：
std::promise<int> p; std::future<int> f(p.get_future()); assert(f.valid()); // 1 期望值 f 是合法的 std::shared_future<int> sf(std::move(f)); assert(!f.valid()); // 2 期望值 f 现在是不合法的 assert(sf.valid()); // 3 sf 现在是合法的
这里，期望值f开始是合法的①，因为它引用的是承诺值p的同步状态，但是在转移sf的状态后，f就不合法了②，而sf就是合法的了③。
如其他可移动对象一样，转移所有权是对右值的隐式操作，所以可以通过 std::promise 对象的成员函数get_future()的返回值，直接构造一个 std::shared_future 对象，例如：
std::promise<std::string> p; std::shared_future<std::string> sf(p.get_future()); // 1 隐式转移 所有权
转移所有权是隐式的，用一个右值构造 std::shared_future<> ，得
到 std::futurestd::string 类型的实例①。
std::future 的这种特性，可促进 std::shared_future 的使用，容器可以自动的对类型进行推断，从而初始化这个类型的变量(详见附录A，A.6节)。 std::future 有一个share()成员函数，可用来创建新的 std::shared_future ，并且可以直接转移期望值的所有权。这样也就能保存很多类型，并且使得代码易于修改：
std::promise< std::map< SomeIndexType, SomeDataType, SomeComparator, SomeAllocator>::iterator> p; auto sf=p.get_future().share();
这个例子中，sf的类型推到为 std::shared_future<std::map<SomeIndexType, SomeDataType,SomeComparator, SomeAllocator>::iterator> ，一口气还真的很难念完。当比较器或分配器有所改动，你只需要对承诺值的类型进行修改即可；期望值的类型会自动更新，与承诺值的修改进行匹配。
有时你需要限定等待事件的时间，不论是因为时间上有硬性规定(一段指定的代码需要在某段时间内完成)，还是因为在事件没有很快的触发时，有必要的工作需要特定线程来完成。为了处理这种情况，有非常多各种等待函数都能够指定超时任务。
[1] 《银河系漫游指南》(The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy)中, 计算机在经过深度思考后，将“人生之匙和宇宙万物”的答案确定为42。
4.3 限定等待时间
之前介绍过阻塞调用，会阻塞一段不确定的时间，将线程挂起到等待的事件发生。很多情况下，这样的方式很不错，但是在一些情况下，就需要限制一下线程等待的时间。可以发送一些类似“我还存活”的信息，无论是对交互式用户，或是其他进程，亦或当用户放弃等待，也可以按下“取消”键直接终止等待。
介绍两种指定超时方式：
- 一种是“时延”, 需要指定一段时间(例如，30毫秒)；
- 另一种是“绝对时间点”。就是指定一个时间点(例如，世界标准时间[UTC]17:30:15.045987023，2011年11月30日)。
多数等待函数提供变量，对两种超时方式进行处理。
处理持续时间的变量以“_for”作为后缀，处理绝对时间的变量以"_until"作为后缀。
所以，当 std::condition_variable 的两个成员函数wait_for()和wait_until()成员函数分别有两个负载，这两个负载都与wait()成员函数的负载相关——其中一个负载只是等待信号触发，或时间超期，亦或是伪唤醒，并且醒来时会检查锁提供的谓词，并且只有在检查为true时才会返回(这时条件变量的条件达成)，或直接超时。
观察使用超时函数的细节前，让我们来检查一下在C++中指定时间的方式，就从“时钟”开始吧！
4.3.1 时钟
对于C++标准库来说，时钟就是时间信息源。并且，时钟是一个类，提供了四种不同的信息：
- 当前时间
- 时间类型
- 时钟节拍
通过时钟节拍的分布，判断时钟是否稳定当前时间可以通过调用静态成员函数now()从时钟类中获取；
例如， std::chrono::system_clock::now() 是将返回系统时钟的当前时间。特定的时间点类型可以通过time_point的数据typedef成员来指定，所以some_clock::now()的类型就是some_clock::time_point。
时钟节拍被指定为1/x(x在不同硬件上有不同的值)秒，这是由时间周期所决定——一个时钟一秒有25个节拍，因此一个周期为 std::ratio<1, 25> ，当一个时钟的时钟节拍每2.5秒一次，周期就可以表示为 std::ratio<5, 2> 。当时钟节拍在运行时获取时，可以使用一个给定的应用程序运行多次，用执行的平均时间求出，其中最短的时间可能就是时钟节拍，或者是写在手册当中。这就不保证，在给定应用中观察到的节拍周期与指定的时钟周期是否相匹配。
当时钟节拍均匀分布(无论是否与周期匹配)，并且不可调整，这种时钟就称为稳定时钟。当is_steady静态数据成员为true时，表明这个时钟就是稳定的；否则，就是不稳定的。通常情况下， std::chrono::system_clock 是不稳定的，因为时钟是可调的，即是这种是完全自动适应本地账户的调节。这种调节可能造成的是，首次调用now()返回的时间要早于上次调用now()所返回的时间，这就违反了节拍频率的均匀分布。稳定闹钟对于超时的计算很重要，所以C++标准库提供一个稳定时钟 std::chrono::steady_clock 。C++标准库提供的其他时钟可表示为 std::chrono::system_clock (在上面已经提到过)，它代表了系统时钟的“实际时间”，并且提供了函数可将时间点转化为time_t类型的值； std::chrono::high_resolution_clock 可能是标准库中提供的具有最小节拍周期(因此具有最高的精度[分辨率])的时钟。它实际上是typedef的另一种时钟，这些时钟和其他与时间相关的工具，都被定义在 库头文件中。
我们先看一下持续时间是怎么表示的。
4.3.2 时延
时间部分最简单的就是时延， std::chrono::duration<> 函数模板能够对时延进行处理(线程库使用到的所有C++时间处理工具，都在 std::chrono 命名空间内)。第一个模板参数是一个类型表示(比如，int，long或double)，第二个模板参数是定制部分，表示每一个单元所用秒数。
例如，当几分钟的时间要存在short类型中时，可以写成 std::chrono::duration<short,std::ratio<60, 1>> ，因为60秒是才是1分钟，所以第二个参数写成 std::ratio<60, 1> 。
当需要将毫秒级计数存在double类型中时，可以写成 std::chrono::duration<double, std::ratio<1,1000>> ，因为1秒等于1000毫秒。
标准库在 std::chrono 命名空间内，为延时变量提供一系列预定义类型：
- nanoseconds[纳秒] ,
- microseconds[微秒] ,
- milliseconds[毫秒] ,
- seconds[秒] ,
- minutes[分]
- hours[时]。
比如，你要在一个合适的单元表示一段超过500年的时延，预定义类型可充分利用了大整型，来表示所要
表示的时间类型。当然，这里也定义了一些国际单位制(SI, [法]le Système internationald’unités)分数，可从 std::atto(10^(-18)) 到 std::exa(10^(18)) (题外话：当你的平台支持128位整型)；也可以指定自定义时延类型，例如， std::duration<double, std::centi> ，就可以使用一个double类型的变量表示1/100。
方便起见，C++14中 std::chrono_literals 命名空间中，有许多预定义的后缀操作符用来表示时长。下面简单的代码就是使用硬编码的方式赋予具体的时长值：
using namespace std::chrono_literals; auto one_day=24h; auto half_an_hour=30min; auto max_time_between_messages=30ms;
当使用整型字面符，这些后缀类似使用了预定义的类型，比如：15ns和 std::chrono::nanoseconds(15) 就是等价的。不过，当使用浮点字面量时，且未指明表示类型时，数值上会对浮点时长进行适当的缩放。因此，2.5min会被表示
为 std::chrono::duration<some-floating-point-type,std::ratio<60,1>> 。如果非常关心所选的浮点类型表示的范围或精度，那么需要自己来构造相应的对象来保证表示范围或精度，而不是去苛求字面值来对范围或精度进行期望性的表达。
当不要求截断值的情况下(时转换成秒是没问题，但是秒转换成时就不行)时延的转换是隐式的。显示转换可以由 std::chrono::duration_cast<> 来完成。
std::chrono::milliseconds ms(54802); std::chrono::seconds s= std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(ms);
这里的结果就是截断的，而不是进行了舍入，所以s最后的值为54。
延迟支持四则运算，所以你能够对两个时延变量进行加减，或者是对一个时延变量乘除一个常数(模板的第一个参数)来获得一个新延迟变量。例如，5*seconds(1)与seconds(5)或minutes(1)-seconds(55)一样。在时延中可以通过count()成员函数获得单位时间的数量。例如， std::chrono::milliseconds(1234).count() 就是1234。
基于时延的等待可由 std::chrono::duration<> 来完成，例如：等待期望值状态变为就绪已经35毫秒：
std::future<int> f=std::async(some_task); if(f.wait_for(std::chrono::milliseconds(35))==std::future_status ::ready) do_something_with(f.get());
等待函数会返回一个状态值，表示是等待是超时，还是继续等待。这里可以等待期望值，所以当函数等待超时时，会返回 std::future_status::timeout ；当期望值状态改变，函数会返回 std::future_status::ready ；当与期望值相关的任务延迟了，函数会返回 std::future_status::deferred 。基于时延的等待是使用内部库的稳定时钟来计时的；所以，即使系统时钟在等待时被调整(向前或向后)，35毫秒的时延在这里意味着，的确耗时35毫秒。当然，系统调度的不确定性和不同操作系统的时钟精度都意味着：线程调用和返回的实际时间间隔可能要比35毫秒长。
时延中没有特别好的办法来处理以上情况，先暂停对时延的讨论吧。现在，我们就要来看看“时间点”是如何工作的。
4.3.3 时间点
时间点可以用 std::chrono::time_point<> 类型模板来表示，实例的第一个参数用来指定所要使用的时钟，第二个函数参数用来表示时间的计量单位(特化的 std::chrono::duration<> )。
一个时间点的值就是时间的长度(在指定时间的倍数内)，例如，指定“unix时间戳”(epoch)为一个时间点。时间戳是时钟的一个基本属性，但是不可以直接查询，或在C++标准中已经指定。通常，unix时间戳表示1970年1月1日 00:00，即计算机启动应用程序时。时钟可能共享一个时间戳，或具有独立的时间戳。当两个时钟共享一个时间戳时，其中一个time_point类型可以与另一个时钟类型中的time_point相关联。这里，虽然不知道unix时间戳是什么，但可以通过对
指定time_point类型使用time_since_epoch()来获取时间戳，该成员函数会返回一个时延值，这个时延值是指定时间点与unix时间戳的时间间隔。
例如，你可能指定了一个时间点 std::chrono::time_pointstd::chrono::system_clock,std::chrono::minutes 。这就与系统时钟有关，且实际中的一分钟与系统时钟精度应该不相同(通常差几秒)。
你可以通过 std::chrono::time_point<> 实例来加/减时延，来获得一个新的时间点，所以 std::chrono::hight_resolution_clock::now() + std::chrono::nanoseconds(500) 将得到500纳秒后的时间。这对于计算绝对时间超时是一个好消息，当知道一块代码的最大时延时，在等待时间内进行多次调用等待函数，或非等待函数占用了等待函数时延中的时间。
你也可以减去一个时间点(二者需要共享同一个时钟)。结果是两个时间点的时间差。这对于代码块的计时是很有用的，例如：
auto start=std::chrono::high_resolution_clock::now(); do_something(); auto stop=std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::cout<<”do_something() took “ <<std::chrono::duration<double,std::chrono::seconds>(stopstart).count() <<” seconds”<<std::endl;
std::chrono::time_point<> 实例的时钟参数不仅能够指定unix时间戳。当一个等待函数(绝对时间超时的方式)传递时间点时，时间点的时钟参数就被用来测量时间。当时钟变更时，会产生严重的后果，因为等待轨迹随着时钟的改变而改变，并且直到调用now()成员函数时，才能返回一个超过超时时间的值。当时钟向前调整，就有可能减少等待时间的长度(与稳定时钟的测量相比)；当时钟向后调整，就有可能增加等待时间的长度。
如你所愿，后缀为_unitl的(等待函数的)变量会使用时间点。通常是使用某些时钟的 ::now() (程序中一个固定的时间点)作为偏移，虽然时间点与系统时钟有关，可以使用 std::chrono::system_clock::to_time_point() 静态成员函数，在用户可视时间点上进行调度操作。例如，当有一个对多等待500毫秒的，且与条件变量相关的事件，可以参考如下代
码：
#include <condition_variable> #include <mutex> #include <chrono> std::condition_variable cv; bool done; std::mutex m; bool wait_loop() { auto const timeout = std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::milliseconds(500); std::unique_lock<std::mutex> lk(m); while (!done) { if (cv.wait_until(lk, timeout) == std::cv_status::timeout) break; } return done; }
我们推荐种方式，当没有什么可以等待时，就可在一定时限中等待条件变量。
这种方式中，循环的整体长度有限。在4.1.1节中所示，当使用条件变量(且无事可待)时，就需要使用循环，这是为了处理假唤醒。当在循环中使用wait_for()时，可能在等待了足够长的时间后结束等待(在假唤醒之前)，且下一次等待又开始了。这可能重复很多次，使得等待时间无边无际。
到此，有关时间点超时的基本知识你已经了解了。现在，让我们来了解一下如何在函数中使用超时。
4.3.4 具有超时功能的函数
使用超时的最简单方式，就是对一个特定线程添加一个延迟处理；当这个线程无所事事时，就不会占用其他线程的处理时间。4.1节中看过一个例子，循环检查“done”标志。两个处理函数分别是 std::this_thread::sleep_for() 和 std::this_thread::sleep_until() 。它们的工作就像一个简单的闹钟：当线程因为指定时延而进入睡眠时，可使用sleep_for()唤醒；因指定时间点修眠的，可使用sleep_until唤醒。sleep_for()的使用如同在4.1节中的例子，有些事必须在指定时间范围内完成，所以这里的耗时就很重要。另一方面，sleep_until()允许在某个特定时
间点将调度线程唤醒。可能在晚间备份或在早上6:00打印工资条时使用，亦或挂起线程直到
下一帧刷新时进行视频播放。
当然，休眠只是超时处理的一种形式，超时可以配合条件变量和期望值一起使用。超时甚至可以在尝试获取互斥锁时(当互斥量支持超时时)使用。 std::mutex 和 std::recursive_mutex 都不支持超时锁，但是 std::timed_mutex 和 std::recursive_timed_mutex 支持。这两种类型也有try_lock_for()和try_lock_until()成员函数，可以在一段时期内尝试获取锁或在指定时间点前获取互斥锁。表4.1展示了C++标准库中支持超时的函数。
参数列表为“延时”(duration)必须是 std::duration<> 的实例，并且列出为时间点(time_point)必须是 std::time_point<> 的实例。
现在，我们讨论过的机制有：
- 条件变量
- 期望值
- 承诺值，
- 还有打包的任务。
是时候从更高的角度去看待这些机制，以及怎么样使用这些机制，简化线程的同步操作。
