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”，另一种是“绝对时间点”。第一种方式，需要指定一段时间(例如，30毫秒)；第二种方式，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<chrono>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]和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 international d’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_point<std::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>(stop-start).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：

清单4.11 等待一个条件变量——有超时功能

#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。

表4.1 可接受超时的函数

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。