c++20 多线程并发 latch barrier semaphore

背景:

c++20 关于多线程并发新增了 latch, barrier, semaphore ,接下来就按照一个一个进行介绍

latch

latch 是一次性使用的线程协调点, 一旦给定数量的线程达到latch点时, 所有线程都会解除阻塞, 并继续执行. 基本上它是一个计数器, 在每个线程到达latch点时倒数, 一旦计数器达到0, latch 将无限制保持在一个有信号的状态, 所有阻塞线程都将解除阻塞, 随后到达latch点的任何线程会立刻被允许执行.

latch 由 std::latch实现, 在<latch> 中定义, 构造函数接收需要到达latch点的所需线程数, 到达latch点的线程可以调用arrive_and_wait(), 它递减latch 计数器并阻塞, 直到latch有信号为止. 线程也可以通过调用wait 在不减少计数器的情况下阻塞在latch点上, try_wait() 方法可用与检查计数器是否达到零, 最后如果需要,还可以通过count_down()来减少计数器, 而不会阻塞.

代码如下:

#include<latch>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <memory>
#include <chrono>int main()
{std::vector<std::jthread> threads;std::latch startLatch{ 1 };for (int i = 0; i < 10; ++i){threads.push_back(std::jthread{[i, &startLatch]{std::cout<< i <<" in wait" <<std::endl;startLatch.wait();std::cout<< i <<" runing" <<std::endl;}});}std::cout<<"start before"<<std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(5));startLatch.count_down();std::cout<<"start after"<<std::endl;return 0;
}

clang++ -std=c++20 -pthread latch.cpp

barrier

barrier 是由一系列阶段组成的可重用线程协调机制, 允许多线程在barrier点阻塞. 当给定数量的线程到达barrier时,  将执行完成阶段的回调, 解除所有阻塞线程的阻塞, 重制线程技术器, 并开始下一个阶段. 在每隔阶段中, 可以调整下一个阶段的预期线程数. barrier对于在循环之间执行同步非常有用. 例如假设多线程并发执行, 并在一个循环中执行一些计算. 进一步假设一旦这些计算执行完成, 需要在线程开始其循环的新迭代之前对结果进一步处理. 对于这种情况, 设置barrier是完美的, 所有的线程都会阻塞在barrier处, 当它们全部到达时, 完成阶段回调将处理结果, 然后解除所有阻塞, 以开始它们的下一次迭代.

barrier 由 std::barrier实现, 在<barrier>中定义, barrier 最重要的方式是arrive_and_wait(), 他减少计数器, 然后阻塞线程, 直到当前阶段完成.

下边是具体代码示例

#include<thread>
#include<iostream>
#include<vector>
#include <chrono>
#include <barrier>
void completionFunction() noexcept 
{
}int main()
{const size_t numberOfThreads{4};std::barrier barrierPoint {numberOfThreads, completionFunction};std::vector<std::jthread> threads;for (int i = 0; i < numberOfThreads; ++i){threads.push_back(std::jthread{[i,&barrierPoint](std::stop_token token){while (!token.stop_requested()){std::cout<<i<<" in wait"<<std::endl;barrierPoint.arrive_and_wait();std::cout<<i<<" runing"<<std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));}}});}return 0;
}

clang++ -std=c++20 -pthread barrier.cpp

semphore

semphore 信号量 是轻量级同步原语, 可用作其他同步机制(如mutex, latch, barrier)的构建块. 基本上上一个semaphore由一个表示很多插槽的计数器组成. 计数器在构造函数中初始化. 如果获得了一个插槽, 计数器就减少, 而释放插槽将增加计数器. 在<semaphore>中定义了两个semaphore类, std::count_semaphore 和 binary_semaphore. 前一种模型是非负资源计数, 后者只有一个插槽, 该槽事空的, 要么不是空的, 完全适合作为互斥的构建快.

代码如下:

#include<iostream>
#include <semaphore>
#include <thread>
#include <vector>
int main()
{std::counting_semaphore semaphore{4};std::vector<std::jthread> threads;for (int i = 0; i < 4; i++){threads.push_back(std::jthread{[&semaphore](){semaphore.acquire();semaphore.release();}});}	
}

clang++ -std=c++20 -pthread barrier.cpp