网站导航
> 技术文档 > C++ 中实现 `Task::WhenAll` 和 `Task::WhenAny` 的两种方案

C++ 中实现 `Task::WhenAll` 和 `Task::WhenAny` 的两种方案

网友: 技术文档 2025-07-30 12:28:11

📚 C++ 中实现 Task::WhenAll 和 Task::WhenAny 的两种方案

引用：

  1. 拈朵微笑的花　想一番人世變換　到頭來輸贏又何妨
  2. 日與夜互消長　富與貴難久長　今早的容顏老於昨晚
  3. C++ 标准库异步编程示例（一）
  4. C++ TAP（基于任务的异步编程模式）

🚀 引言：异步编程的需求与挑战

在现代软件开发中，异步编程已成为提升应用性能的关键技术。C# 提供了优雅的 Task.WhenAll 和 Task.WhenAny 机制来管理多个异步任务，但 C++ 标准库中缺乏直接等效功能。本文将深入探讨两种高效实现方案：

#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .label{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .label text,#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node rect,#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node circle,#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node ellipse,#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node polygon,#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-Gw5CDNSo4sOSDHHz :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} 异步编程需求 WhenAll 实现 WhenAny 实现 简单轮询方案 高效条件变量方案 简单轮询方案 高效条件变量方案

🔄 方案1：基于轮询的简单实现

🛠️ when_all 实现（简单轮询）

#include #include template <typename T>std::vector<T> when_all(std::vector<std::future<T>>& futures) { std::vector<T> results; for (auto& fut : futures) { results.push_back(fut.get()); } return results;}// void 特化版本void when_all(std::vector<std::future<void>>& futures) { for (auto& fut : futures) { fut.get(); }}
原理说明
  • 顺序执行：循环遍历每个 future，调用 get() 方法阻塞等待结果
  • 结果收集：对于非 void 任务，结果存储在 vector 中返回
  • 优点：实现简单，代码直观
  • 缺点：顺序等待导致性能瓶颈

🛠️ when_any 实现（轮询方式）

#include #include #include template <typename T>size_t when_any(std::vector<std::future<T>>& futures) { while (true) { for (size_t i = 0; i < futures.size(); ++i) { if (futures[i].wait_for(std::chrono::seconds(0))  == std::future_status::ready) { return i; } } std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10)); }}
原理说明
  • 轮询检测：使用 wait_for(0) 非阻塞检查任务状态
  • 指数退避：每次检测后休眠减少 CPU 占用
  • 返回索引：返回第一个完成任务的索引
  • 缺点：CPU 占用高，响应延迟（最大10ms）

#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .label{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .label text,#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node rect,#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node circle,#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node ellipse,#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node polygon,#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-dsn5SMFAh2TgjbuL :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} 是 否 开始 遍历所有future 是否ready? 返回索引 休眠10ms

⚡ 方案2：基于条件变量的高效实现

🧩 WhenAll 类设计（高效等待所有任务）

#include #include #include #include #include class WhenAll {public: void add_future(std::future<void> fut) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); futures.push_back(std::move(fut)); count++; } void wait() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); if (count == 0) return; for (auto& fut : futures) { std::thread([&, this] { fut.wait(); std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (--count == 0) cv.notify_all(); }).detach(); } cv.wait(lock, [this] { return count == 0; }); }private: std::vector<std::future<void>> futures; std::mutex mtx; std::condition_variable cv; int count = 0;};
架构解析

#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS g.classGroup text{fill:#9370DB;fill:#131300;stroke:none;font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:10px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS g.classGroup text .title{font-weight:bolder;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .nodeLabel,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edgeLabel{color:#131300;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edgeLabel .label rect{fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .label text{fill:#131300;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edgeLabel .label span{background:#ECECFF;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .classTitle{font-weight:bolder;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .node rect,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .node circle,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .node ellipse,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .node polygon,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .divider{stroke:#9370DB;stroke:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS g.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS g.classGroup rect{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS g.classGroup line{stroke:#9370DB;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .classLabel .box{stroke:none;stroke-width:0;fill:#ECECFF;opacity:0.5;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .classLabel .label{fill:#9370DB;font-size:10px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .relation{stroke:#333333;stroke-width:1;fill:none;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .dashed-line{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #compositionStart,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .composition{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #compositionEnd,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .composition{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #dependencyStart,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .dependency{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #dependencyStart,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .dependency{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #extensionStart,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .extension{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #extensionEnd,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .extension{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #aggregationStart,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .aggregation{fill:#ECECFF!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS #aggregationEnd,#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .aggregation{fill:#ECECFF!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS .edgeTerminals{font-size:11px;}#mermaid-svg-aEkVzICb4J37UJtS :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} WhenAll - futures: vector> - mtx: mutex - cv: condition_variable - count: int +add_future(future fut) +wait()

工作原理
  1. 添加任务：通过 add_future 添加异步任务
  2. 监控线程：为每个任务创建监控线程
  3. 条件等待：主线程等待条件变量 cv
  4. 完成通知：最后完成的任务触发 notify_all()
  5. 资源释放：监控线程自动分离（detach）
性能优势
  • 零轮询：完全消除CPU空转
  • 即时响应：任务完成立即通知
  • 线程安全：互斥锁保护共享状态

🧩 WhenAny 类设计（高效等待任意任务）

#include #include #include #include template <typename T>class WhenAny {public: template <typename Func> void add_task(Func func) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); futures.push_back(std::async(std::launch::async, [this, func] { auto result = func(); { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (!completed) {  completed = true;  completed_index = futures.size() - 1;  cv.notify_all(); } } return result; })); } size_t wait() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); cv.wait(lock, [this] { return completed; }); return completed_index; } std::future<T>& get_future(size_t index) { return futures[index]; }private: std::vector<std::future<T>> futures; std::mutex mtx; std::condition_variable cv; bool completed = false; size_t completed_index = 0;};
架构解析

#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 g.classGroup text{fill:#9370DB;fill:#131300;stroke:none;font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:10px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 g.classGroup text .title{font-weight:bolder;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .nodeLabel,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edgeLabel{color:#131300;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edgeLabel .label rect{fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .label text{fill:#131300;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edgeLabel .label span{background:#ECECFF;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .classTitle{font-weight:bolder;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .node rect,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .node circle,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .node ellipse,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .node polygon,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .divider{stroke:#9370DB;stroke:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 g.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 g.classGroup rect{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 g.classGroup line{stroke:#9370DB;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .classLabel .box{stroke:none;stroke-width:0;fill:#ECECFF;opacity:0.5;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .classLabel .label{fill:#9370DB;font-size:10px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .relation{stroke:#333333;stroke-width:1;fill:none;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .dashed-line{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #compositionStart,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .composition{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #compositionEnd,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .composition{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #dependencyStart,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .dependency{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #dependencyStart,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .dependency{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #extensionStart,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .extension{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #extensionEnd,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .extension{fill:#333333!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #aggregationStart,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .aggregation{fill:#ECECFF!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 #aggregationEnd,#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .aggregation{fill:#ECECFF!important;stroke:#333333!important;stroke-width:1;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 .edgeTerminals{font-size:11px;}#mermaid-svg-BnM5fidYEShryyt0 :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} WhenAny - futures: vector> - mtx: mutex - cv: condition_variable - completed: bool - completed_index: size_t +add_task(Func func) +wait() +get_future(size_t index)

工作流程

#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actor-line{stroke:grey;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .messageText{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .labelText,#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .loopText,#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .noteText,#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu .actor-man circle,#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-BCO0L1tKTw2rtzHu :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} 主线程 任务线程 WhenAny对象 add_task(任务1) 启动异步任务 add_task(任务2) 启动异步任务 wait() 任务完成 返回完成索引 主线程 任务线程 WhenAny对象

关键特性
  1. 泛型支持：模板化设计支持任意返回类型
  2. 一次性通知：completed 标志确保只通知一次
  3. 结果获取：get_future 方法获取已完成任务的结果
  4. 线程安全：互斥锁保护共享状态

🧪 使用示例与场景分析

基本使用示例

#include #include #include int main() { // 示例1: WhenAll 使用 WhenAll wa; wa.add_future(std::async([] { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); std::cout << \"任务1完成\\n\"; })); wa.add_future(std::async([] { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); std::cout << \"任务2完成\\n\"; })); std::cout << \"等待所有任务...\\n\"; wa.wait(); std::cout << \"所有任务完成!\\n\"; // 示例2: WhenAny 使用 WhenAny<int> wany; wany.add_task([] { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); return 100; }); wany.add_task([] { std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); return 200; }); std::cout << \"等待任意任务完成...\\n\"; size_t index = wany.wait(); auto& fut = wany.get_future(index); std::cout << \"任务\" << index << \"最先完成，结果: \" << fut.get() << \"\\n\"; return 0;}

实际应用场景

  1. 微服务聚合：并行调用多个微服务，等待所有响应
  2. 竞态条件处理：多个数据源查询，使用第一个返回结果
  3. 资源加载：并行加载多个资源文件，等待全部完成
  4. 超时处理：多个备用服务调用，使用最先响应的服务

🚀 高级优化与扩展

性能优化技术

  1. 线程池集成：避免为每个任务创建新线程

    void wait(ThreadPool& pool) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); if (count == 0) return; for (auto& fut : futures) { pool.enqueue([&, this] { fut.wait(); std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (--count == 0) cv.notify_all(); }); } cv.wait(lock, [this] { return count == 0; });}

  2. 共享future优化：避免多次get()调用

    void add_future(std::shared_future<void> shared_fut) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); shared_futures.push_back(shared_fut); count++;}

  3. 批量任务添加：减少锁竞争

    void add_futures(const std::vector<std::future<void>>& new_futures) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); futures.insert(futures.end(), new_futures.begin(), new_futures.end()); count += new_futures.size();}

功能扩展

  1. 超时支持：添加 wait_for 和 wait_until

    template <typename Rep, typename Period>bool wait_for(const std::chrono::duration<Rep, Period>& timeout) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); return cv.wait_for(lock, timeout, [this] { return count == 0; });}

  2. 混合类型支持：使用 std::variant

    class WhenAnyVariant {public: template <typename Func> void add_task(Func func) { using ResultType = decltype(func()); std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); futures.push_back(std::async(std::launch::async, [=] { auto result = func(); { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (!completed) {  completed = true;  completed_index = futures.size() - 1;  cv.notify_all(); } } return std::variant<ResultType>(std::move(result)); })); } // ... 其他成员private: std::vector<std::future<std::variant<int, double, std::string>>> futures;};

  3. 进度追踪：添加进度回调

    void wait(std::function<void(int)> progress_callback) { std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); if (count == 0) return; for (auto& fut : futures) { std::thread([&, this] { fut.wait(); std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); progress_callback(++completed_count); if (completed_count == count) cv.notify_all(); }).detach(); } cv.wait(lock, [this] { return completed_count == count; });}

⚠️ 注意事项与最佳实践

异常处理

void add_future(std::future<void> fut) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); futures.push_back(std::async(std::launch::async, [fut = std::move(fut)]() mutable { try { fut.get(); } catch (const std::exception& e) { std::cerr << \"任务异常: \" << e.what() << std::endl; } })); count++;}

资源管理最佳实践

  1. 避免线程泄漏：使用RAII包装线程
  2. 预防死锁：锁粒度最小化
  3. 内存安全：使用智能指针管理共享数据
  4. 性能监控：添加任务执行时间统计

平台适配性

  1. 跨平台考虑：使用标准库确保可移植性
  2. 编译器支持：确保C++17及以上特性
  3. 异步模型：与平台特定API（如IOCP/epoll）集成

📊 性能对比分析

方案类型 CPU占用 响应延迟 内存开销 适用场景 简单轮询 高 (持续10-100%) 高 (10ms级) 低 任务少、低频率 条件变量 低 (<1%) 低 (µs级) 中 高并发、实时系统 线程池集成 中 (可控) 低 (µs级) 高 大规模任务处理

C++ 中实现 `Task::WhenAll` 和 `Task::WhenAny` 的两种方案

🔮 未来发展与C++标准展望

C++23/26异步特性

  1. std::execution：标准执行器支持
  2. 协程增强：更简洁的异步代码编写
  3. 网络库集成：与标准网络库协同工作

社区解决方案

  1. Boost.Asio：提供 async_wait_all 等实用工具
  2. Folly库：Facebook的高性能异步工具集
  3. Qt Concurrent：跨平台异步框架

💎 总结

本文详细探讨了在C++中实现 Task.WhenAll 和 Task.WhenAny 的两种核心方案：

  1. 简单轮询方案：适用于轻量级场景，实现简单但效率较低
  2. 条件变量方案：高性能实现，适用于生产环境
    • 零轮询设计减少CPU占用
    • 即时响应确保最佳性能
    • 扩展性强，支持超时、进度回调等高级功能

#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 {font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 svg{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .label{font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .label text,#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node rect,#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node circle,#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node ellipse,#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node polygon,#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-mqI8LdDqptJIWqc2 :root{--mermaid-font-family:\"trebuchet ms\",verdana,arial,sans-serif;} 少量任务 大量任务 高实时性 可接受延迟 选择实现方案 任务数量 简单轮询方案 实时性要求 条件变量方案 线程池集成方案

最佳实践建议：

  • 小型工具类使用简单轮询方案
  • 高性能服务器使用条件变量方案
  • 大规模并行处理集成线程池
  • 始终考虑异常安全和资源管理
网络标签：

相关问题