C++中std::future未返回值引用的问题排查

我刚开始学习C++多线程，在学习过程中发现打印std::future返回的string内存地址时，地址不一致。

原始代码 #

#include<iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <string>

void thFunc(std::promise<std::string> && prms) {
  std::string str("Hello from future ^^");
  std::cout << "Location=" << (void*)str.data() << "\n";
  prms.set_value(str);
}

int main() {
  std::promise<std::string> prms;
  std::future<std::string> ftr = prms.get_future();
  std::thread th(&thFunc, std::move(prms));
  std::printf("Hello from main!!\n");

  std::string futStr = ftr.get();
  std::cout << futStr << "\t Location= " << (void*)futStr.data() << "\n";
  th.join();
  return 0;
}

编译命令 #

clang++ -g -Wall -std=c++11 -stdlib=libc++ -o future_ex future_ex.cpp

运行输出 #

Hello from main!!
Location=0x30cdbff01
Hello from future ^^     Location= 0x30cd3dfa1

我查阅了std::future::get的文档，了解到它使用std::move，理论上不会有拷贝，但地址仍不一致，希望得到该行为的解释。

编辑后的代码（改用shared_ptr） #

void thFunc(std::promise<std::shared_ptr<std::string>> & prms) {
  std::string str("Hello from future ^^");
  std::shared_ptr<std::string> shared = std::make_shared<std::string>(str);
  std::cout << "Address in thread=" << shared.get() << " String= " << *shared.get() << "\n";
  prms.set_value(shared);
}

int main() {
  std::promise<std::shared_ptr<std::string>> prms;
  std::future<std::shared_ptr<std::string>> ftr = prms.get_future();
  std::thread th(&thFunc, std::ref(prms));
  std::printf("Hello from main!!\n");

  std::shared_ptr<std::string> futSharedPtr = ftr.get();
  std::cout << "Address in main= " << futSharedPtr.get() << " Value= " << *futSharedPtr.get() << "\n";
  std::cout << "COUNT:: " << futSharedPtr.use_count() << "\n";
  th.join();
  return 0;
}

编辑后运行输出 #

Hello from main!!
Address in thread=0x60000298c018 String= Hello from future ^^
Address in main= 0x60000298c018 Value= Hello from future ^^
COUNT:: 1

原因解析 #

string地址不一致的核心原因 #

1. promise.set_value触发的第一次拷贝
   线程中的prms.set_value(str)传递的是左值str，会调用set_value的左值重载，直接把str的内容拷贝到promise的共享状态中。这一步已经让字符串的存储地址从线程栈上的str变成了共享状态内部的新对象，地址自然改变。

2. future.get的移动无法保留原始地址
   调用ftr.get()时，确实会将共享状态中的string移动到主线程的futStr中，但这无法让地址和线程里的str一致：

   • 你的字符串长度较短，触发了libc++的小字符串优化(SSO)——短字符串直接存在string对象的内部缓冲区（栈内存），而非堆上。移动这类string时，本质是复制对象内部的字符数组，而非转移堆指针，所以地址再次变化。
   • 即使是堆上的string，共享状态的内存位置和主线程futStr的栈帧完全不同，移动操作只是把共享状态中string的堆指针转移给futStr，但这个堆指针本身就和线程里str的堆指针不一样（因为第一步已经拷贝到共享状态了）。

shared_ptr能保持地址一致的原因 #

shared_ptr存储的是指向堆上string对象的指针：

• 无论是prms.set_value(shared)还是ftr.get()，传递的都是shared_ptr的拷贝（或移动），但所有shared_ptr实例都指向同一个堆上的string对象。
• 线程中的shared在函数结束后被销毁，所以主线程的futSharedPtr的use_count()为1，但堆上string的地址始终未变，因此前后打印的地址完全一致。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者cicada_