面试题：C++ 的 async 使用时有哪些注意事项？

在 C++ 中，std::async 是一个用于异步执行任务的工具，它封装了线程创建和任务调度的细节，使得异步编程更加简单。然而，使用 std::async 时需要注意一些关键问题，以避免潜在的错误和性能问题。

1. `std::async` 的基本用法

std::async 的基本形式如下：

std::future<ResultType> future = std::async(std::launch policy, Function, Args...);

std::launch policy：指定任务的启动策略。
Function：要执行的函数或可调用对象。
Args...：传递给函数的参数。

2. 启动策略

std::async 支持两种启动策略：

std::launch::async：
- 任务会在一个新线程中异步执行。
- 如果资源不足，可能抛出 std::system_error 异常。
std::launch::deferred：
- 任务会延迟执行，直到调用 future.get() 或 future.wait() 时才在当前线程中执行。
- 适用于惰性求值或需要延迟执行的场景。

如果不指定启动策略，std::async 的行为由实现定义，可能是 std::launch::async 或 std::launch::deferred，也可能是两者的组合。

3. 注意事项

（1）启动策略的选择

如果需要确保任务在新线程中执行，必须显式指定 std::launch::async。
如果希望任务延迟执行，可以指定 std::launch::deferred。
如果不指定策略，行为可能不符合预期。

示例：

auto future = std::async(std::launch::async, [] {
    return 42;
});

（2）`std::future` 的生命周期

std::future 对象析构时会阻塞，直到任务完成。
如果不需要等待任务完成，可以将 std::future 存储起来，或者使用 std::future::wait() 显式等待。

示例：

{
    auto future = std::async(std::launch::async, [] {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        return 42;
    });
    // future 析构时会阻塞
}

（3）异常处理

如果任务中抛出异常，异常会被捕获并存储在 std::future 中。
调用 future.get() 时，异常会重新抛出。

示例：

auto future = std::async(std::launch::async, [] {
    throw std::runtime_error("Task failed");
    return 42;
});

try {
    int result = future.get();
} catch (const std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
}

（4）资源限制

如果使用 std::launch::async 启动大量任务，可能会导致系统资源耗尽（如线程数过多）。
需要合理控制并发任务的数量。

示例：

std::vector<std::future<int>> futures;
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    futures.push_back(std::async(std::launch::async, [i] {
        return i * i;
    }));
}

（5）性能问题

std::async 的默认行为可能不符合预期，导致任务延迟执行或串行执行。
在高性能场景中，建议显式指定启动策略，并考虑使用线程池等更高效的并发模型。

4. `std::async` 的替代方案

在某些场景下，std::async 可能不是最佳选择，可以考虑以下替代方案：

线程池：通过线程池管理线程，避免频繁创建和销毁线程的开销。
std::thread：手动管理线程，适用于需要更精细控制的场景。
任务队列：结合 std::thread 和任务队列，实现更灵活的并发模型。

5. 示例代码

以下是一个完整的示例，展示了 std::async 的使用和注意事项：

#include <iostream>
#include <future>
#include <vector>
#include <stdexcept>

int task(int id) {
    if (id == 3) {
        throw std::runtime_error("Task 3 failed");
    }
    return id * id;
}

int main() {
    std::vector<std::future<int>> futures;

    // 启动多个异步任务
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        futures.push_back(std::async(std::launch::async, task, i));
    }

    // 获取任务结果
    for (size_t i = 0; i < futures.size(); ++i) {
        try {
            int result = futures[i].get();
            std::cout << "Task " << i << " result: " << result << std::endl;
        } catch (const std::exception& e) {
            std::cerr << "Task " << i << " exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }

    return 0;
}