C++线程同步的欢乐时光：std::latch与std::barrier的最佳实践
各位C++开发者朋友们，今天我们要来聊聊线程同步中的两位新星——std::latch和std::barrier。这两位兄弟在C++20中闪亮登场，为我们的多线程编程带来了新的可能性。如果你还在用std::mutex、std::condition_variable这些老古董，不妨来看看这两位新朋友如何让你的代码更简洁、更高效。
开场白：为什么我们需要线程同步？
想象一下，你正在组织一场盛大的派对。你需要准备食物、布置场地、邀请嘉宾，而每个任务都需要不同的团队负责。如果某个团队提前完成了任务，他们可能会无所事事；如果某个团队拖延了进度，整个派对可能会陷入混乱。
在多线程编程中，线程就像这些团队，它们各自完成自己的任务。但如果没有适当的同步机制，线程之间的协作可能会出问题。比如，一个线程可能需要等待其他线程完成某些工作后才能继续执行。这就是线程同步的重要性所在。
std::latch：单向通行的计数器
什么是std::latch？
std::latch是一个简单的同步工具，类似于倒计时器。它允许线程通过调用count_down()方法减少计数值，直到计数值变为0。一旦计数值为0，所有等待的线程都会被释放。
使用场景
- 任务完成通知：当多个线程共同完成某项任务时，可以用
std::latch确保主线程知道所有子任务已完成。 - 初始化完成后启动：在某些情况下，主线程需要等待所有资源初始化完毕后再继续执行。
示例代码
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <latch>
void worker(std::latch& latch) {
// 模拟一些工作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
std::cout << "Worker done.n";
latch.count_down(); // 完成一项任务
}
int main() {
const int num_workers = 5;
std::latch latch(num_workers);
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < num_workers; ++i) {
threads.emplace_back(worker, std::ref(latch));
}
latch.wait(); // 等待所有任务完成
std::cout << "All workers have finished.n";
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return 0;
}注意事项
- 不可重用：
std::latch一旦计数值归零，就不能再次使用。如果你需要重复使用，可以考虑std::barrier。 - 性能优势：相比
std::mutex和std::condition_variable，std::latch在某些场景下具有更高的性能，因为它避免了锁的竞争。
std::barrier：双向通行的检查点
什么是std::barrier？
std::barrier是一种更灵活的同步工具，允许一组线程在某个检查点处相互等待。一旦所有线程都到达检查点，它们会被同时释放，并且可以选择执行一个回调函数。
使用场景
- 分阶段任务：当多个线程需要分阶段完成任务时，可以用
std::barrier确保每个阶段的所有线程都完成后再进入下一阶段。 - 并行计算：在并行计算中，线程可能需要在某些关键点上同步状态。
示例代码
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <barrier>
void stage1(std::barrier<int>& barrier) {
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " completing stage 1.n";
barrier.arrive_and_wait(); // 等待所有线程完成阶段1
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " starting stage 2.n";
}
int main() {
const int num_threads = 4;
std::barrier<int> barrier(num_threads);
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
threads.emplace_back(stage1, std::ref(barrier));
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return 0;
}注意事项
- 可重用性：
std::barrier可以在多次同步中重复使用，非常适合需要反复同步的场景。 - 回调函数：可以通过构造函数指定一个回调函数，在所有线程到达屏障后执行。例如，用于更新共享状态或记录日志。
std::latch vs std::barrier：谁才是你的真命天子？
| 特性 | std::latch |
std::barrier |
|---|---|---|
| 用途 | 单次倒计时，适合任务完成通知 | 多次同步，适合分阶段任务 |
| 可重用性 | 不可重用 | 可重用 |
| 回调支持 | 无 | 支持 |
| 典型场景 | 初始化完成后启动，任务完成通知 | 并行计算，分阶段任务 |
选择哪个工具取决于你的具体需求。如果只需要一次性同步，std::latch是更好的选择；如果需要多次同步或执行回调，std::barrier会更适合。
最佳实践总结
- 明确需求：在选择同步工具之前，先明确你的需求。你是需要一次性同步还是多次同步？是否需要执行回调函数？
- 避免过度同步：过多的同步会导致性能下降。尽量减少不必要的同步操作。
- 结合使用：在复杂场景中，可以结合使用
std::latch和std::barrier，以实现更高效的线程协作。
结语
好了，今天的讲座就到这里啦！希望你对std::latch和std::barrier有了更深的理解。记住，线程同步并不是一件可怕的事情，只要选对工具，用对方法，你的代码一定会变得更加优雅高效。下次见啦，祝大家编码愉快！
