C++ 20 信號量詳解

一、信號量類型

C++20 標準中定義了兩種信號量：

1. std::counting_semaphore<Max>：計數信號量（允許資源池最多有 Max 個資源）
2. std::binary_semaphore：二進制信號量（等價于 std::counting_semaphore<1>）

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二、代碼實現與詳解

1. 計數信號量（生產者-消費者模型）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>
#include <queue>
#include <mutex>// 最大緩沖區大小
constexpr size_t BUFFER_SIZE = 5;// 定義信號量（空位初始為5，數據初始為0）
std::counting_semaphore<BUFFER_SIZE> empty_slots(BUFFER_SIZE);
std::counting_semaphore<BUFFER_SIZE> data_items(0);std::mutex mtx;              // 保護共享隊列的互斥鎖
std::queue<int> buffer;       // 共享緩沖區
bool producer_done = false;  // 生產完成標志void producer() {for (int i = 1; i <= 10; ++i) {empty_slots.acquire(); // 等待空位{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);buffer.push(i);std::cout << "Product: " << i << std::endl;}data_items.release(); // 增加數據項}// 生產完成后設置標志std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);producer_done = true;
}void consumer() {while (true) {data_items.acquire(); // 等待數據{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);// 檢查是否所有數據已消費if (producer_done && buffer.empty()) break;int val = buffer.front();buffer.pop();std::cout << "Consume: " << val << std::endl;}empty_slots.release(); // 釋放空位}
}int main() {std::jthread prod(producer); // C++20 自動管理線程std::jthread cons(consumer);return 0;
}

2. 二進制信號量（互斥訪問）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>std::binary_semaphore resource(1);  // 初始可用
int counter = 0;void worker(int id) {for (int i = 0; i < 3; ++i) {resource.acquire();  // P操作++counter;std::cout << "線程" << id << "修改計數器: " << counter << std::endl;resource.release();  // V操作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));}
}int main() {std::jthread t1(worker, 1);std::thread t2(worker, 2);t1.join();t2.join();return 0;
}

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三、編譯與運行

1. 編譯命令（需要支持C++20的編譯器）：

   g++ -std=c++20 -pthread -o semaphore_demo semaphore_demo.cpp
   

2. 輸出示例：
   

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四、核心概念解析

1. acquire()（P操作）：

   • 減少信號量計數器
   • 若計數器為0則阻塞，直到有其他線程執行release()

2. release()（V操作）：

   • 增加信號量計數器
   • 喚醒等待中的線程（如果有）

3. 二進制信號量特性：

   • 初始值設為1時等價于互斥鎖
   • 但釋放操作可由任意線程執行（與互斥鎖不同）

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五、關鍵點總結

特性	計數信號量	二進制信號量
最大計數值	模板參數指定（如<5>）	固定為1
典型應用場景	資源池管理	互斥訪問/同步標志
線程喚醒策略	先進先出（FIFO）	取決于具體實現
內存占用	每個實例約4-8字節	同計數信號量