目錄

前言

學習目標

1. 信號量（Semaphore）

示例：限制并發下載任務

2. 閂鎖（Latch）

示例：賽跑

3. 屏障（Barrier）

示例：圖像處理流水線

4. 常見坑與對策

5. 實踐作業

總結

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前言

有時候寫多線程代碼，會感覺自己像個“交通警察”：

• 這里要限流，不能讓大家一擁而上；

• 那里要等所有人到齊，才能一起發車；

• 還有時候要分階段執行，上一階段沒完，下一階段不能亂跑。

C++20 就給我們準備了三個“神器”：信號量（semaphore）、閂鎖（latch）和屏障（barrier）。它們比 mutex、condition_variable 更貼近并發算法的實際需求。今天我們就一起來拆解這三個工具。

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學習目標

1. 理解 信號量：限制并發數量的計數器。

2. 理解 閂鎖：一次性同步點（大家到齊再走）。

3. 理解 屏障：可重用的多階段同步工具。

4. 掌握在實際場景中如何選擇正確的同步原語。

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1. 信號量（Semaphore）

信號量其實很古老了，操作系統里早就有。它的直覺含義就是：有多少個“通行證”。

• std::counting_semaphore<N>：計數信號量，最多 N 張通行證。

• std::binary_semaphore：只有 0 和 1，相當于一個簡單開關。

工作原理：

• acquire()：拿一張票。如果沒有票，就等待。

• release()：放回一張票，別人可以用。

示例：限制并發下載任務

假設我們要同時下載 3 個文件，超過 3 個要排隊。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>
#include <vector>
#include <chrono>
using namespace std;counting_semaphore<3> sem(3); // 最多允許 3 個并發任務void download(int id) {sem.acquire(); // 拿到“許可證”cout << "線程 " << id << " 開始下載..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));cout << "線程 " << id << " 下載完成!" << endl;sem.release(); // 歸還“許可證”
}int main() {vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i)threads.emplace_back(download, i);for (auto &t : threads) t.join();
}

運行結果：同時只有 3 個任務在下載，其他線程排隊等待。
是不是就像“廁所蹲位有限，來晚了的同學只能等著”？😂

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2. 閂鎖（Latch）

閂鎖就是“一次性的大門”：大家必須等到所有人都到齊，才能一起開門進入下一階段。

• std::latch 只能用一次（單次同步點）。

• 常見場景：多個線程并行準備，等所有人準備好后，一起開始執行。

示例：賽跑

#include <iostream>
#include <thread>
#include <latch>
#include <vector>
using namespace std;latch start_line(3); // 等待 3 個選手void runner(int id) {cout << "運動員 " << id << " 就位" << endl;start_line.arrive_and_wait(); // 到齊才出發cout << "運動員 " << id << " 開跑！" << endl;
}int main() {vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 3; ++i)threads.emplace_back(runner, i);for (auto &t : threads) t.join();
}

運行結果：所有運動員就位之后，才一起開跑。

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3. 屏障（Barrier）

屏障就像閂鎖的“可重復版”。

• std::barrier 支持 多輪同步。

• 每一輪，所有線程必須到齊，才能進入下一輪。

• 還可以在每一輪結束時執行一個“階段完成回調”。

示例：圖像處理流水線

我們有三張圖片，每張要經過三輪處理（預處理 → 濾鏡 → 保存）。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <barrier>
#include <vector>
using namespace std;void process(int id, barrier<> &bar) {for (int stage = 1; stage <= 3; ++stage) {cout << "線程 " << id << " 執行第 " << stage << " 階段" << endl;bar.arrive_and_wait(); // 等所有人完成這個階段}
}int main() {barrier bar(3, []{ cout << "=== 一個階段完成 ===" << endl; });vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 3; ++i)threads.emplace_back(process, i, ref(bar));for (auto &t : threads) t.join();
}

運行效果：

• 每個階段，所有線程都要等齊；

• 每輪結束，打印“階段完成”。

這就像三個人組隊打副本，必須等大家都打完當前關卡，才能進入下一關。

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4. 常見坑與對策

工具	常見坑	對策
信號量	release() 次數和 acquire() 不匹配，導致線程永遠卡住或無限放行	保持配對，最好寫成 RAII 封裝
閂鎖	只能用一次，用完不能重置	多階段場景請用 barrier
屏障	回調函數里阻塞，導致死鎖	回調必須盡快返回，不要做耗時操作

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5. 實踐作業

1. 修改“下載任務”的例子，把 counting_semaphore 改為 binary_semaphore，看看效果有什么不同。

2. 用 latch 實現一個“多人開會”，所有人到齊后一起進入會議。

3. 用 barrier 寫一個分階段矩陣運算程序，驗證每一階段都同步完成。

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總結

今天我們學習了 C++20 的三大同步原語：

• 信號量：控制并發數量，就像限流閥門。

• 閂鎖：一次性同步點，大家到齊一起走。

• 屏障：可重用的多階段同步工具，常用于分階段算法。

它們比傳統的 mutex + condition_variable 更直觀，也更貼近實際并發場景。掌握好這三大工具，你就能寫出更優雅的并發代碼。