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semaphore、latch 与 barrier
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C++20 在：
<semaphore>
<latch>
<barrier>中加入了几种更高层的同步工具：
std::counting_semaphore
std::binary_semaphore
std::latch
std::barrier它们和 mutex 解决的问题不一样。
可以先用一句话记住：
mutex
→ 一次只允许一个线程进入临界区
semaphore
→ 一共有多少张“通行证”
latch
→ 等大家一次性全部到齐
barrier
→ 每一轮都要等大家到齐后再进入下一轮所以：
semaphore
→ 许可数量控制
latch
→ 一次性同步
barrier
→ 可重复阶段同步这些工具很多都可以用：
mutex + condition_variable + counter手动实现。
但既然标准库已经提供了现成抽象，就没必要每次自己重新设计状态、计数和通知协议。
1.semaphore：许可数量
1.1.semaphore：控制“许可数量”
1.2.std::counting_semaphore
std::counting_semaphore 内部维护一个计数。
这个计数可以理解成：
当前还有多少张可用通行证。
例如：
当前计数 = 3就可以理解成：
目前还有 3 个线程可以获得许可线程想进入受限制区域之前调用：
semaphore.acquire();如果当前计数：
> 0那么：
计数减 1
线程继续执行如果当前计数：
== 0那么：
暂时没有许可
线程阻塞等待等使用完以后：
semaphore.release();表示：
归还一个许可。
于是：
计数加 1并且可能唤醒一个正在等待许可的线程。
所以 semaphore 最核心的流程就是：
acquire()
→ 拿一张通行证
执行受限制的工作
release()
→ 把通行证还回去1.3.counting_semaphore 最典型的用途：限制并发数量
例如：
最多只允许 2 个线程同时执行某段任务。
#include <chrono>
#include <print>
#include <semaphore>
#include <thread>
#include <vector>
using namespace std::chrono_literals;
std::counting_semaphore<2> slots(2);
void worker(int id)
{
slots.acquire();
std::println("start {}", id);
std::this_thread::sleep_for(500ms);
std::println("end {}", id);
slots.release();
}
int main()
{
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
threads.emplace_back(worker, i);
}
for (auto& thread : threads)
{
thread.join();
}
}可能输出：
start 0
start 1
end 0
start 2
end 1
start 3
end 2
start 4
end 3
end 4虽然我们创建了：
5 个线程但：
std::counting_semaphore<2> slots(2);初始只有 2 个许可。
所以最多只有：
2 个线程能同时处于：
slots.acquire();
...
slots.release();之间。
可以理解成：
一开始有 2 张通行证
线程 A 拿走一张
剩 1 张
线程 B 拿走一张
剩 0 张
线程 C 来了
没票
只能等
A 或 B 归还一张
↓
C 获得许可继续1.4.semaphore 和 mutex 最大的区别
mutex 通常表达：
同一时刻只能有一个线程进入临界区。
而：
std::counting_semaphore<N>可以表达：
同一时刻最多允许 N 个线程进入。
所以：
mutex
≈ 只有 1 把钥匙
counting_semaphore
≈ 有 N 张通行证但它们还有一个更重要的语义区别：
mutex
→ 强调锁的所有权
semaphore
→ 强调许可数量对于 mutex：
谁 lock
通常就应该由谁 unlock而 semaphore：
谁 acquire
不要求必须由同一个线程 release也就是说：
semaphore 的许可可以由一个线程获取，由另一个线程归还。
这使它不仅可以限制并发数量，也可以做线程间信号通知。
1.5.模板参数和初始计数不是一回事
例如：
std::counting_semaphore<10> semaphore(3);这里：
10不是：
当前有 10 个许可它表示的是：
这个 semaphore 所支持的最大计数上界至少为 10。
而：
3才是：
初始计数。
所以这个对象刚创建时：
semaphore.acquire();
semaphore.acquire();
semaphore.acquire();前三次可以直接成功。
第四次：
semaphore.acquire();就需要等待别人：
semaphore.release();所以记住：
std::counting_semaphore<10> semaphore(3);
10
→ 计数上限相关参数
3
→ 当前初始许可数量不要把它们混在一起。
1.6.try_acquire()
如果你不想：
没有许可就一直阻塞可以用：
if (semaphore.try_acquire())
{
// 成功获得许可
semaphore.release();
}它的逻辑是：
有许可
→ 拿走一个
→ 返回 true
没许可
→ 立刻返回 false
→ 不等待这和：
mutex.try_lock();很像。
1.7.带超时的 acquire
还可以：
semaphore.try_acquire_for(...);或者：
semaphore.try_acquire_until(...);可以理解成：
try_acquire_for()
→ 最多等一段时间
try_acquire_until()
→ 最多等到某个时间点例如：
最多等 100ms
拿到许可
→ 继续
100ms 还没拿到
→ 返回失败
→ 执行备用逻辑适合：
资源池暂时没资源
连接数已满
并发额度暂时耗尽
不能无限等待这类场景。
1.8.std::binary_semaphore
C++20 还提供：
std::binary_semaphore它可以理解成：
计数最多只有 1 的 semaphore。
也就是它只有两种状态：
0
→ 没有许可
1
→ 有一个许可例如：
std::binary_semaphore signal(0);初始：
0 个许可所以：
signal.acquire();会阻塞。
另一个线程执行：
signal.release();以后：
许可变成 1
↓
一个等待线程可以继续1.9.binary_semaphore 可以理解成一个“门”
例如：
std::binary_semaphore signal(0);可以想成：
门一开始是关着的线程 A：
signal.acquire();相当于：
门没开
→ 在门口等线程 B：
signal.release();相当于：
发放一个许可
→ 让一个等待线程通过所以 binary semaphore 很适合表达：
线程 A 等一个信号
线程 B 发出信号1.10.binary_semaphore 不是 mutex
虽然 binary semaphore 的计数最多为 1，看起来很像：
std::mutex但它们不是一回事。
mutex：
强调所有权
哪个线程获得锁
通常由哪个线程释放而 binary_semaphore：
强调“有没有许可”
释放许可的线程
可以不是 acquire 的那个线程可以这样记：
mutex
→ 谁锁门，谁开门
semaphore
→ 系统里有几张通行证所以不要因为：
binary_semaphore 的值只有 0 / 1就把它当成 mutex 的完全替代品。
1.11.semaphore 不会自动让共享对象线程安全
例如：
std::vector<int> data;多个线程同时：
data.push_back(...);可能产生数据竞争。
即使你用了：
std::counting_semaphore<4> semaphore(4);它也不会神奇地让：
std::vector变成线程安全。
semaphore 只解决：
最多允许多少个线程获得许可并不自动解决：
共享对象的一致性保护所以很常见的组合是：
semaphore
→ 控制最多多少个任务同时运行
mutex
→ 保护任务访问的共享数据结构两者职责完全不同。
1.12.acquire 以后一定要记得 release
例如：
semaphore.acquire();
// 工作
semaphore.release();如果中间发生：
return
异常
复杂分支导致：
release()没有执行，那么：
许可被拿走以后永远没有归还可用许可会越来越少。
例如本来：
2 个许可漏掉一次 release 后：
永远只剩 1 个再漏一次：
永远变成 0后续线程全部可能卡住。
所以 semaphore 也要认真考虑：
异常安全
提前 return
许可归还2.latch：一次性同步
2.1.latch：一次性倒计时同步
std::latch 可以理解成：
一个只能使用一次的倒计时门。
例如：
std::latch done(3);表示：
初始计数 = 3每完成一个参与者：
done.count_down();计数减 1。
过程类似：
3
↓
2
↓
1
↓
0当计数变成：
0等待 latch 的线程就可以继续。
2.2.latch 最适合表达什么
它最适合这种需求：
等 N 件事情全部做完，然后继续。
例如：
启动 3 个初始化任务
任务 1 完成
→ count_down()
任务 2 完成
→ count_down()
任务 3 完成
→ count_down()
计数变成 0
↓
主线程继续2.3.latch 示例
#include <latch>
#include <print>
#include <thread>
#include <vector>
std::latch done(3);
void worker(int id)
{
std::println("worker {} done", id);
done.count_down();
}
int main()
{
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
{
threads.emplace_back(worker, i);
}
done.wait();
std::println("all workers reached the latch");
for (auto& thread : threads)
{
thread.join();
}
}可能输出：
worker 1 done
worker 0 done
worker 2 done
all workers reached the latch前三行顺序不确定。
但：
all workers reached the latch一定发生在：
3 次 count_down()全部完成以后。
所以主线程根本不关心：
哪个 worker 先完成它只关心：
计数归零了吗？2.4.count_down()
done.count_down();表示：
我完成了自己的这一份工作，把计数减掉。
例如：
初始 3
第一个线程 count_down()
→ 2
第二个线程 count_down()
→ 1
第三个线程 count_down()
→ 0当计数到：
0latch 被永久打开。
2.5.wait()
done.wait();表示：
如果 latch 计数还没有归零，就等待。
如果此时：
count > 0线程阻塞。
如果已经：
count == 0那么：
直接返回而且 latch 一旦变成 0：
以后一直保持“打开”不会重新关上。
2.6.arrive_and_wait()
如果当前线程：
既是参与者
又要等待其他参与者可以使用：
latch.arrive_and_wait();它可以理解成：
我已经到达
↓
计数减一
↓
然后我也等待其他人到达也就是类似：
latch.count_down();
latch.wait();不过 arrive_and_wait() 表达意图更直接。
2.7.latch 是一次性的
这是 latch 最重要的特点：
只能用一次例如：
std::latch done(3);最终：
3 → 2 → 1 → 0到 0 以后：
不会重新回到 3所以 latch 特别适合：
等待一批初始化任务完成
等待几个线程启动就绪
等待一次性并行任务全部结束而不适合：
第一轮同步
第二轮同步
第三轮同步
...这种场景应该用：
std::barrier2.8.latch 可以理解成“一次性开门”
例如：
初始 latch(3)
还差 3 人
门关着
还差 2 人
门关着
还差 1 人
门关着
最后 1 人到达
计数变 0
门打开
以后永远保持打开所以：
latch
≈ 一次性会合点3.barrier：可重复阶段同步
3.1.barrier：可重复的阶段同步
std::barrier 解决的是：
多个线程需要一轮一轮同步。
例如有三个线程：
线程 A
线程 B
线程 C每个线程都要执行：
第 1 阶段
↓
等待所有人完成
第 2 阶段
↓
等待所有人完成
第 3 阶段这时：
std::barrier非常合适。
3.2.barrier 可以理解成“每轮都要集合”
假设：
std::barrier sync_point(3);表示：
每一轮都要等 3 个参与者到达第一轮：
A 到了
B 到了
C 到了
↓
3 人到齐
↓
全部放行进入下一轮然后 barrier 自动重新准备：
下一轮继续等 3 人所以：
latch
→ 只集合一次
barrier
→ 每一轮都重新集合3.3.barrier 示例
#include <barrier>
#include <print>
#include <thread>
#include <vector>
std::barrier sync_point(3);
void worker(int id)
{
std::println("phase 1: {}", id);
sync_point.arrive_and_wait();
std::println("phase 2: {}", id);
sync_point.arrive_and_wait();
std::println("phase 3: {}", id);
}
int main()
{
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 3; ++i)
{
threads.emplace_back(worker, i);
}
for (auto& thread : threads)
{
thread.join();
}
}可能输出：
phase 1: 2
phase 1: 0
phase 1: 1
phase 2: 1
phase 2: 2
phase 2: 0
phase 3: 0
phase 3: 2
phase 3: 1每个阶段内部：
谁先打印不确定。
但是一定满足：
所有 phase 1 都完成
↓
才可能出现 phase 2
所有 phase 2 都完成
↓
才可能出现 phase 3所以不会出现：
线程 A 已经进入 phase 2
但线程 B 连 phase 1 的 barrier 都还没到3.4.arrive_and_wait()
barrier 最常见的操作：
sync_point.arrive_and_wait();表示：
我已经完成这一阶段
↓
记录一次到达
↓
然后等其他参与者当本阶段所有参与者都到达以后：
所有等待线程一起进入下一阶段所以：
arrive_and_wait();非常符合：
“这一轮我做完了，现在等大家。”这种语义。
3.5.barrier 会自动进入下一轮
这是它和 latch 最大的不同。
latch：
计数归零
↓
永久打开
↓
结束barrier：
本轮所有人到达
↓
本轮完成
↓
自动开始下一轮
↓
重新等待参与者所以：
latch
→ 一次性同步
barrier
→ 循环同步3.6.completion function
std::barrier 还可以设置：
阶段完成函数（completion function）
它会在：
本轮所有参与者都到达以后执行一次。
概念上：
所有线程完成第 N 阶段
↓
completion function
↓
进入第 N+1 阶段这适合：
所有线程完成本轮计算
↓
统一更新一次共享状态
↓
所有线程开始下一轮例如并行算法可能需要：
第 1 轮：
每个线程算自己那部分
所有人到 barrier
completion：
交换 / 汇总本轮结果
第 2 轮：
基于新结果继续计算3.7.completion function 不要做太重的事情
因为：
所有参与者都在等这个阶段真正结束所以 completion function 如果：
执行很慢
做长时间 IO
sleep
等待其他锁
执行复杂阻塞操作那么所有参与者都会一起被拖住。
所以 completion function 更适合：
很短的状态更新
交换阶段数据
维护轮次
轻量汇总3.8.arrive_and_drop()
假设 barrier 初始有：
3 个参与者但某个线程执行完当前阶段以后：
后面几轮不再参加了。
这时不能直接：
退出线程因为 barrier 还以为：
下一轮仍然要等 3 人但实际上以后只有：
2 人于是其他两个线程永远等不到第三个。
所以需要：
barrier.arrive_and_drop();表示：
我完成了本轮到达
并且：
以后每一轮都不用再等我也就是把未来参与者数量永久减掉。
4.选择与对比
4.1.latch 和 barrier 最核心的区别
可以直接这样记：
latch
→ 一次性的
barrier
→ 可重复的例如：
4.1.1.latch
等 4 个模块初始化完成
↓
程序正式启动初始化只发生一次。
所以：
std::latch很合适。
4.1.2.barrier
4 个线程一起做第 1 轮
↓
集合
一起做第 2 轮
↓
集合
一起做第 3 轮
↓
集合每一轮都要同步。
所以：
std::barrier更合适。
4.2.semaphore、latch、barrier 怎么选
可以直接看这张表：
| 需求 | 推荐工具 |
|---|---|
| 最多允许 N 个线程同时获得资源 | std::counting_semaphore |
| 一个简单的 0 / 1 许可或线程间信号 | std::binary_semaphore |
| 等 N 个参与者一次性全部完成 | std::latch |
| 多个线程每轮都要同步 | std::barrier |
| 保护共享对象一致性 | std::mutex |
| 等复杂共享条件成立 | std::condition_variable |
4.3.和 mutex 的区别
mutex 关注的是：
谁能进入临界区例如：
std::scoped_lock lock(mutex);表达：
这段共享数据同时只允许一个线程操作而 semaphore 关注：
还有多少许可latch 关注：
还有多少参与者没完成barrier 关注：
这一轮所有参与者到齐了吗所以这些工具：
不是 mutex 的不同写法而是：
解决不同同步模式4.4.和 condition_variable 的关系
理论上很多同步器都可以自己手搓。
例如 latch 可以大概用：
counter
mutex
condition_variable实现：
counter 每完成一个任务减 1
counter == 0
↓
notify_all()barrier 也可以自己维护：
当前轮次
参与者数量
已到达数量
condition_variable实现。
但这很容易产生：
计数错误
边界条件错误
通知丢失
轮次状态错误
异常退出后人数不一致所以：
condition_variable
→ 通用零件
semaphore / latch / barrier
→ 已经封装好的常见同步模式如果标准库已经有你想表达的模型：
优先使用标准抽象通常会让代码：
更短
更清楚
更不容易写错
更容易让别人看懂4.5.semaphore 的典型场景
counting_semaphore 常见于：
限制同时下载任务数量
限制数据库连接数
限制 GPU / 加速器任务并发数
资源池可用对象数量
限制同时进行的网络请求
控制同时执行的重任务数量例如：
线程可以有 100 个
但数据库连接池只有 10 个连接
→ semaphore 初始许可 = 10这就很自然。
4.6.latch 的典型场景
latch 常见于：
多个模块并行初始化
主线程等待所有初始化结束
多个并行任务全部完成后统一继续
启动多个 worker，等待全部 ready关键词是：
一次性4.7.barrier 的典型场景
barrier 常见于：
并行数值计算
迭代算法
分块处理
多线程仿真
每一轮都依赖上一轮完整结果关键词是：
一轮一轮同步5.常见错误
5.1.错误：把 semaphore 当 mutex
错误理解：
用了 semaphore
→ 共享 vector 自动线程安全不对。
semaphore 只控制：
许可数量共享对象的一致性仍然可能需要：
std::mutex5.2.错误：acquire 以后忘记 release
例如：
semaphore.acquire();
if (error)
{
return; // 忘了 release
}这样会永久损失一个许可。
5.3.错误：认为 binary semaphore 有 mutex 的所有权规则
binary semaphore 虽然只有：
0 / 1但它仍然：
不是 mutex许可可以由不同线程 acquire / release。
5.4.错误：把 latch 当成可以重置的工具
std::latch：
只能归零一次归零以后不会：
重新恢复初始计数需要循环同步时用：
std::barrier5.5.错误：barrier 的参与人数写错
例如：
std::barrier barrier(4);但实际上只有：
3 个线程会调用：
arrive_and_wait();那么：
永远差第 4 个参与者所有线程都可能永久卡住。
5.6.错误：线程退出了，却没 arrive_and_drop()
如果某个 barrier 参与者：
以后不再参加后续轮次却直接退出，那么 barrier 仍然会：
在后续每一轮等它应该：
arrive_and_drop();5.7.错误：completion function 太慢
completion function 执行期间：
所有参与者都在等阶段完成所以里面不适合：
长时间 IO
sleep
复杂阻塞
重计算
危险的锁嵌套6.最后总结
这三个 C++20 同步工具可以这样记：
semaphore
→ 有几张通行证
latch
→ 一次性等大家到齐
barrier
→ 每一轮都等大家到齐更具体一点：
std::counting_semaphore
→ 允许同时存在多个许可
std::binary_semaphore
→ 只有 0 / 1 个许可
std::latch
→ 一次性倒计时，归零后永久打开
std::barrier
→ 每轮所有参与者到达后，自动开始下一轮它们和 mutex 的关系：
mutex
→ 保护共享状态
semaphore / latch / barrier
→ 表达更高层的同步模式如果能用标准同步原语直接表达你的需求：
优先使用标准工具，而不是手写
mutex + condition_variable + counter。
最后可以用一句话彻底区分：
mutex
→ “谁能进？”
semaphore
→ “还能进几个？”
latch
→ “这一次人到齐了吗？”
barrier
→ “这一轮人到齐了吗？”