前言

学习目标

1. 信号量（Semaphore）

示例：限制并发下载任务

2. 闩锁（Latch）

示例：赛跑

3. 屏障（Barrier）

示例：图像处理流水线

4. 常见坑与对策

5. 实践作业

总结

前言

有时候写多线程代码，会感觉自己像个“交通警察”：

这里要限流，不能让大家一拥而上；
那里要等所有人到齐，才能一起发车；
还有时候要分阶段执行，上一阶段没完，下一阶段不能乱跑。

C++20 就给我们准备了三个“神器”：信号量（semaphore）、闩锁（latch）和屏障（barrier）。它们比 mutex、condition_variable 更贴近并发算法的实际需求。今天我们就一起来拆解这三个工具。

学习目标

理解 信号量：限制并发数量的计数器。
理解闩锁：一次性同步点（大家到齐再走）。
理解屏障：可重用的多阶段同步工具。
掌握在实际场景中如何选择正确的同步原语。

1. 信号量（Semaphore）

信号量其实很古老了，操作系统里早就有。它的直觉含义就是：有多少个“通行证”。

std::counting_semaphore<N>：计数信号量，最多 N 张通行证。
std::binary_semaphore：只有 0 和 1，相当于一个简单开关。

工作原理：

acquire()：拿一张票。如果没有票，就等待。
release()：放回一张票，别人可以用。

示例：限制并发下载任务

假设我们要同时下载 3 个文件，超过 3 个要排队。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>
#include <vector>
#include <chrono>
using namespace std;counting_semaphore<3> sem(3); // 最多允许 3 个并发任务void download(int id) {sem.acquire(); // 拿到“许可证”cout << "线程 " << id << " 开始下载..." << endl;this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2));cout << "线程 " << id << " 下载完成!" << endl;sem.release(); // 归还“许可证”
}int main() {vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 10; ++i)threads.emplace_back(download, i);for (auto &t : threads) t.join();
}

运行结果：同时只有 3 个任务在下载，其他线程排队等待。
是不是就像“厕所蹲位有限，来晚了的同学只能等着”？😂

2. 闩锁（Latch）

闩锁就是“一次性的大门”：大家必须等到所有人都到齐，才能一起开门进入下一阶段。

std::latch 只能用一次（单次同步点）。
常见场景：多个线程并行准备，等所有人准备好后，一起开始执行。

示例：赛跑

#include <iostream>
#include <thread>
#include <latch>
#include <vector>
using namespace std;latch start_line(3); // 等待 3 个选手void runner(int id) {cout << "运动员 " << id << " 就位" << endl;start_line.arrive_and_wait(); // 到齐才出发cout << "运动员 " << id << " 开跑！" << endl;
}int main() {vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 3; ++i)threads.emplace_back(runner, i);for (auto &t : threads) t.join();
}

运行结果：所有运动员就位之后，才一起开跑。

3. 屏障（Barrier）

屏障就像闩锁的“可重复版”。

std::barrier 支持 多轮同步。
每一轮，所有线程必须到齐，才能进入下一轮。
还可以在每一轮结束时执行一个“阶段完成回调”。

示例：图像处理流水线

我们有三张图片，每张要经过三轮处理（预处理 → 滤镜 → 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 << "线程 " << id << " 执行第 " << stage << " 阶段" << endl;bar.arrive_and_wait(); // 等所有人完成这个阶段}
}int main() {barrier bar(3, []{ cout << "=== 一个阶段完成 ===" << endl; });vector<thread> threads;for (int i = 0; i < 3; ++i)threads.emplace_back(process, i, ref(bar));for (auto &t : threads) t.join();
}

运行效果：

每个阶段，所有线程都要等齐；
每轮结束，打印“阶段完成”。

这就像三个人组队打副本，必须等大家都打完当前关卡，才能进入下一关。

4. 常见坑与对策

工具	常见坑	对策
信号量	`release()` 次数和 `acquire()` 不匹配，导致线程永远卡住或无限放行	保持配对，最好写成 RAII 封装
闩锁	只能用一次，用完不能重置	多阶段场景请用 `barrier`
屏障	回调函数里阻塞，导致死锁	回调必须尽快返回，不要做耗时操作