【c++】手撸C++ Promise：从零实现通用异步回调组件，支持链式调用+异常安全

天若有情6732025-11-27 18:56

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在C++开发中，异步编程（如模拟网络请求、文件读写）常面临"回调地狱""状态管理混乱""异常难以捕获"等问题。前端Promise的出现完美解决了这些痛点，但C++缺乏原生支持。本文将带大家从零实现一个 通用C++ Promise组件 ------纯标准库依赖，支持强类型结果/错误传递、链式调用、异常安全，可直接集成到任何C++项目中。

一、Promise核心设计目标

一个实用的Promise组件需满足以下核心需求：

  1. 状态管理：支持3种互斥状态（Pending/已完成Fulfilled/已拒绝Rejected），状态一旦转换不可逆；
  2. 回调机制：支持注册成功（onFulfilled）/失败（onRejected）回调，状态变更时自动触发；
  3. 链式调用：支持多步异步操作串联，结果可无缝转换，错误自动透传；
  4. 强类型支持 ：适配任意结果类型（如std::vector<int>、自定义结构体）和错误类型（如错误码、空类型）；
  5. 异常安全：捕获异步操作中的异常，自动转为失败状态，避免程序崩溃；
  6. 无依赖：仅使用C++标准库，不引入第三方框架。

二、核心实现原理

Promise的本质是"状态机+回调链"：

  • 状态机：通过枚举管控3种状态，确保状态转换的唯一性和不可逆性；
  • 回调链：通过then方法注册回调，链式调用时生成新Promise，实现结果透传与转换；
  • 类型适配：通过模板参数ResultT（成功结果类型）和ErrorT（失败错误类型）支持任意类型。

三、完整源代码实现

cpp 复制代码 
#ifndef PROMISE_H
#define PROMISE_H

#include <functional>
#include <utility>
#include <stdexcept>

// 空类型标识：用于"失败时无需传递额外错误信息"的场景
struct undefined {};

template <typename ResultT, typename ErrorT = undefined>
class Promise {
public:
    // 回调函数类型定义（强类型约束）
    using ResolveCallback = std::function<void(ResultT)>;  // 成功回调：接收ResultT类型结果
    using RejectCallback = std::function<void(ErrorT)>;    // 失败回调：接收ErrorT类型错误
    using Executor = std::function<void(ResolveCallback, RejectCallback)>;  // 执行器：封装异步逻辑

    // 构造函数：接收执行器（异步任务），初始化状态为Pending
    explicit Promise(Executor executor) : m_state(State::Pending) {
        // 封装框架内部的resolve逻辑：状态转换+结果存储+触发回调
        ResolveCallback resolve = [this](ResultT result) {
            if (m_state != State::Pending) return;  // 状态已变更，忽略重复调用
            m_result = std::move(result);           // 移动语义：避免拷贝，提升性能
            m_state = State::Fulfilled;             // 状态转为"已完成"
            triggerCallbacks();                     // 触发成功回调
        };

        // 封装框架内部的reject逻辑：状态转换+错误存储+触发回调
        RejectCallback reject = [this](ErrorT error) {
            if (m_state != State::Pending) return;  // 状态已变更，忽略重复调用
            m_error = std::move(error);             // 移动语义存储错误信息
            m_state = State::Rejected;              // 状态转为"已拒绝"
            triggerCallbacks();                     // 触发失败回调
        };

        // 执行用户传入的异步逻辑，捕获所有异常并转为reject
        try {
            executor(std::move(resolve), std::move(reject));
        } catch (...) {
            reject(ErrorT());  // 异常时自动触发失败回调
        }
    }

    // 链式调用接口：接收成功回调，返回新Promise（支持结果类型转换）
    template <typename NewResultT>
    Promise<NewResultT, ErrorT> then(std::function<NewResultT(const ResultT&)> onFulfilled) {
        // 返回新Promise，将当前Promise的结果传递给新Promise
        return Promise<NewResultT, ErrorT>([this, onFulfilled](
            ResolveCallback newResolve, RejectCallback newReject
        ) {
            // 注册当前Promise的成功回调：转换结果并触发新Promise的resolve
            m_onFulfilled = [onFulfilled, newResolve, newReject](const ResultT& result) {
                try {
                    NewResultT newResult = onFulfilled(result);  // 结果类型转换（如T→U）
                    newResolve(std::move(newResult));            // 触发新Promise的成功状态
                } catch (...) {
                    newReject(ErrorT());                          // 转换失败时触发新Promise的失败状态
                }
            };

            // 注册当前Promise的失败回调：错误透传（无需额外处理，直接传递给新Promise）
            m_onRejected = [newReject](const ErrorT& error) {
                newReject(error);
            };

            triggerCallbacks();  // 若当前Promise已完成，立即触发回调
        });
    }

    // 终结回调接口：接收成功+失败回调，无返回值（用于链式调用的最后一步）
    void then(
        std::function<void(const ResultT&)> onFulfilled,
        RejectCallback onRejected = {}  // 失败回调可选，默认空
    ) {
        m_onFulfilled = std::move(onFulfilled);
        m_onRejected = std::move(onRejected);
        triggerCallbacks();  // 若状态已完成，立即触发回调
    }

private:
    // Promise状态枚举（严格互斥）
    enum class State {
        Pending,    // 初始状态：异步操作未完成
        Fulfilled,  // 成功状态：异步操作完成，有结果
        Rejected    // 失败状态：异步操作出错，有错误信息
    } m_state;

    ResultT m_result;          // 成功时存储的结果（仅Fulfilled状态有效）
    ErrorT m_error;            // 失败时存储的错误（仅Rejected状态有效）
    std::function<void(const ResultT&)> m_onFulfilled;  // 外部注册的成功回调
    std::function<void(const ErrorT&)> m_onRejected;    // 外部注册的失败回调

    // 触发回调：根据当前状态调用对应的回调函数
    void triggerCallbacks() {
        if (m_state == State::Fulfilled && m_onFulfilled) {
            m_onFulfilled(m_result);  // 成功状态：调用成功回调
        } else if (m_state == State::Rejected && m_onRejected) {
            m_onRejected(m_error);    // 失败状态：调用失败回调
        }
    }
};

#endif // PROMISE_H

四、核心模块逐行解析

1. 空类型undefined：解决"无错误信息"场景

cpp 复制代码 
struct undefined {};
  • 作用：当异步操作失败时无需传递额外错误信息（如"URL不存在""文件未找到"），用undefined作为ErrorT模板参数，替代C++中void作为模板参数的尴尬；
  • 优势：保持模板类型统一性，避免单独处理void类型，简化代码逻辑。

2. 模板参数设计：强类型适配任意场景

cpp 复制代码 
template <typename ResultT, typename ErrorT = undefined>
class Promise { ... };
  • ResultT：成功时的结果类型（如int、std::string、std::vector<Product>）；
  • ErrorT：失败时的错误类型（默认undefined，可自定义为int错误码、std::string错误信息）；
  • 强类型约束：回调函数参数类型与模板参数强制匹配，编译器自动校验，避免类型错误。

3. 状态机实现：确保状态转换安全

cpp 复制代码 
enum class State { Pending, Fulfilled, Rejected } m_state;
  • 状态特性：初始为Pending，仅能转换为Fulfilled或Rejected，一旦转换不可逆；
  • 安全防护：resolve和reject回调中先判断m_state == Pending，避免重复触发（如多次调用resolve无效）。

4. 构造函数：注入异步逻辑

cpp 复制代码 
explicit Promise(Executor executor) : m_state(State::Pending) { ... }
  • 核心逻辑：接收用户传入的异步任务（Executor），封装框架内部的resolve和reject，并传递给用户；
  • 异常捕获：用try-catch捕获异步任务中的所有异常，自动转为reject状态，避免程序崩溃；
  • 移动语义：std::move(resolve)/std::move(reject)减少拷贝成本，尤其适合大数据场景（如std::vector）。

5. 链式调用then：支持结果转换与错误透传

cpp 复制代码 
template <typename NewResultT>
Promise<NewResultT, ErrorT> then(...) { ... }
  • 结果转换：上一个Promise的ResultT可通过回调函数转换为新的NewResultT（如std::vector<Product>→int（商品总数））；
  • 错误透传：上一个Promise的错误自动传递到下一个Promise，无需重复编写错误处理逻辑；
  • 即时触发：若上一个Promise已完成（如同步返回结果），新then注册后立即触发回调，兼容同步/异步场景。

6. 终结then：处理最终结果

cpp 复制代码 
void then(std::function<void(const ResultT&)> onFulfilled, RejectCallback onRejected = {}) { ... }
  • 用途：链式调用的最后一步，无需返回新Promise（如打印结果、提示错误）；
  • 灵活配置：失败回调可选，若仅需处理成功场景，可只传递成功回调。

五、使用示例：覆盖常见异步场景

示例1：基础异步操作（无错误信息）

模拟网络请求，成功返回字符串，失败无错误信息：

cpp 复制代码 
#include "Promise.h"
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>

// 模拟网络请求：2秒后返回成功结果
Promise<std::string, undefined> mockNetworkRequest(const std::string& url) {
    return Promise<std::string, undefined>([url](auto resolve, auto reject) {
        std::thread([url, resolve, reject]() {
            // 模拟网络延迟2秒
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
            if (url == "https://api.success.com") {
                resolve("请求成功！返回数据：{name: 'MiniDataX'}");
            } else {
                reject(undefined());  // 失败无错误信息
            }
        }).detach();
    });
}

int main() {
    std::cout << "发起请求..." << std::endl;
    mockNetworkRequest("https://api.success.com")
    .then(
        // 成功回调
        [](const std::string& data) {
            std::cout << "成功：" << data << std::endl;
        },
        // 失败回调
        [](undefined) {
            std::cout << "失败：请求地址不存在" << std::endl;
        }
    );

    // 等待异步操作完成（避免主线程退出）
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
    return 0;
}

示例2：链式调用（结果类型转换）

模拟"请求数据→解析数据→计算结果"的多步异步流程：

cpp 复制代码 
#include "Promise.h"
#include <iostream>
#include <vector>

// 步骤1：模拟请求商品列表（ResultT=std::vector<float>，商品价格列表）
Promise<std::vector<float>, int> fetchProductPrices() {
    return Promise<std::vector<float>, int>([](auto resolve, auto reject) {
        // 模拟异步请求
        std::vector<float> prices = {99.9f, 199.9f, 299.9f};
        if (!prices.empty()) {
            resolve(prices);  // 成功返回价格列表
        } else {
            reject(404);      // 失败返回错误码404
        }
    });
}

int main() {
    fetchProductPrices()
    // 步骤2：转换结果：计算总价（std::vector<float> → float）
    .then([](const std::vector<float>& prices) {
        float total = 0.0f;
        for (float p : prices) total += p;
        return total;
    })
    // 步骤3：最终处理：打印总价（float → 无返回值）
    .then([](float total) {
        std::cout << "商品总价：" << total << "元" << std::endl;
    }, [](int errCode) {
        std::cout << "请求失败，错误码：" << errCode << std::endl;
    });

    return 0;
}

示例3：自定义错误类型（字符串错误信息）

失败时返回字符串错误信息，更直观：

cpp 复制代码 
// 模拟文件读取：成功返回文件内容，失败返回错误信息（ErrorT=std::string）
Promise<std::string, std::string> readFile(const std::string& filename) {
    return Promise<std::string, std::string>([filename](auto resolve, auto reject) {
        if (filename == "config.txt") {
            resolve("数据库地址：localhost:3306");  // 成功返回文件内容
        } else {
            reject("文件不存在：" + filename);       // 失败返回字符串错误
        }
    });
}

int main() {
    readFile("config.txt")
    .then(
        [](const std::string& content) {
            std::cout << "文件内容：" << content << std::endl;
        },
        [](const std::string& errMsg) {
            std::cout << "读取失败：" << errMsg << std::endl;
        }
    );
    return 0;
}

六、编译与运行

编译命令（GCC/Clang）

bash 复制代码 
g++ main.cpp -o promise-demo -std=c++11 -pthread
  • 依赖：C++11及以上标准（支持std::function、lambda、移动语义）；
  • -pthread：若使用std::thread模拟异步，需链接线程库。

运行效果

示例1运行输出：

复制代码 
发起请求...
成功：请求成功！返回数据：{name: 'MiniDataX'}

示例2运行输出：

复制代码 
商品总价：599.7元

示例3运行输出：

复制代码 
文件内容：数据库地址：localhost:3306

七、核心优势与扩展方向

核心优势

  1. 通用灵活：支持任意结果/错误类型，适配网络请求、文件读写、数据库操作等所有异步场景；
  2. 易用性强：链式调用语法简洁，类似前端Promise，降低异步编程门槛；
  3. 异常安全：自动捕获异步操作中的异常，避免程序崩溃；
  4. 无依赖：仅使用C++标准库，可直接集成到嵌入式、桌面、服务器等任何C++项目；
  5. 性能优秀：移动语义减少拷贝，无额外性能开销。

扩展方向

  1. 支持catch方法 ：单独注册失败回调（类似前端promise.catch），简化错误处理；
  2. 支持finally方法：无论成功/失败，都执行收尾操作（如释放资源）；
  3. 线程安全 ：当前实现为单线程安全，若需多线程并发调用，可添加std::mutex保护状态和回调；
  4. 超时机制 ：添加超时检测，超时后自动触发reject；
  5. Promise组合 ：实现Promise::all（所有Promise成功才返回）、Promise::race（第一个完成的Promise返回）。

八、总结

本文实现的C++ Promise组件，以"状态机+回调链"为核心，用极简代码实现了前端Promise的核心特性，同时兼顾C++的强类型和性能优势。该组件无需第三方依赖，用法简洁，可直接解决C++异步编程中的"回调地狱"和"状态管理混乱"问题。

无论是初学者学习异步编程思想，还是开发者在项目中处理异步场景，这个Promise组件都是一个实用的工具。后续可根据实际需求扩展线程安全、超时机制等功能，进一步提升其通用性。

如果你在使用中遇到问题或有优化建议，欢迎在评论区交流～

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