std::thread线程库详解（5）

前言

前面四部分内容已经把目前常用的C++标准库中线程库的一些同步库介绍完成了，这一次我们探讨的都是C++20中的内容。主要有两个部分，信号量和latch与barrier。

由于GCC使用的libstdc++还没有完成这一部分特性，所以我们使用的是LLVM的libc++来进行实验，鉴于gcc更换标准库比较麻烦，所以我们使用的是clang编译器。在编译的时候添加选项-stdlib=libc++ -std=gnu++2a。

信号量

对于信号量，我使用的比较少，大部分的时候都是在准备面试的时候，能够看到它的存在。其使用也非常的简单，感觉和锁的使用类似，都是限制更少了。他的作用是保证只有指定数目的执行体可以访问特定的资源。对于信号两，在C++中有两个类分别是std::counting_semaphore和std::binary_semaphore，他们之间的区别比较小。简单来说，std::counting_semaphore<1>就是等于std::binary_semaphore。

counting_semaphore

std::counting_semaphore是一个模板，目标有一个类型为std::ptrdiff_t（两个指针的差值，不小于17位的整数），这个不是初始的值而是运行时的最大值。构造函数可以传递初始的信号值。

std::counting_semaphore<> sema(4);

使用的方法有两个acquire()和release(ptrdiff_t update = 1)，从名字上也明白大致的使用方法。acquire()用于获取一个资源，release()用于释放资源，可以释放多个，但是总数不能超过最大值。

运行的函数：

int thread_fun(int thread_id) {
  sema.acquire();
  printf("Thread Id %d Get.\n", thread_id);
  std::this_thread::sleep_for(1s);
  sema.release();
  printf("Thread Id %d Release.\n", thread_id);
  return 0;
}

初始化10个线程，可以得到类似于下图的结果：

除了阻塞的acquire()之外，还有非阻塞的try_acquire与超时的try_acquire_for和try_acquire_for。

latch与barrier

std::latch与std::barrier的作用有点像起跑线，但是两者也有一定的区别。

std::latch只能用一次，如果它的计数器已经到达0，不会复原，再有线程到达，将不会阻塞。而std::barrier在计数器到达0后会复原，可以重复使用。

在使用std::latch时，可以一次性减少多次计数器，而std::barrier只能减少一次。

std::barrier是一个模板，在构造的时候可以传入一个函数类型，在计数器达到零时会执行实例化时传入函数（执行减少计数器的线程）。

latch

std::latch的构造方法很简单，即

constexpr explicit latch( std::ptrdiff_t expected );

expected即需要等待的数量。

使用的方法有四个，分别是

void count_down( std::ptrdiff_t n = 1 );
bool try_wait() const noexcept;
void wait() const;
void arrive_and_wait( std::ptrdiff_t n = 1 );

count_down是将计数器减少n但是不等待，如果n大于内部的计数器，则行为未定义；

try_wait测试是否需要等待；

wait等待计数器减到0；

arrive_and_wait等于先count_down后wait。

barrier

std::barrier是一个模板，在构造的时候可以传入一个函数类型，在计数器达到零时会执行实例化时传入函数。其构造函数为

constexpr explicit barrier( std::ptrdiff_t expected,
                            CompletionFunction f = CompletionFunction());

使用的方法也有四个，分别是：

arrival_token arrive( std::ptrdiff_t n = 1 );
void wait( arrival_token&& arrival ) const;
void arrive_and_wait();
void arrive_and_drop();

需要注意的是arrival_token类型，由于barrier可以使用多次，所以如果为了区分不同的阻塞，使用了arrival_token，同一批调用arrive将会得到相同的arrival_token。

在调用wait时，如果传入的arrival不为当前的批次，则将直接返回。否则等待该批次的计数器降为0。

arrive_and_drop将会减少计数器并且减少之后复原的计数器。

总结

以上就是C++中的信号量，latch和barrier。使用起来比较简单，但是比较奇怪的是，latch和barrier中大部分的方法名都是相似的，或者说是相同的命名逻辑，但是不阻塞的减少在latch中是count_down，而barrier中为arrive。虽然有可能因为latch中可以传入减少的次数，然而类似的arrive_and_wait的命名却相同。

在更换库的时候，还发现了很多奇葩的地方。当时，我想使用Boost的timer库来计时，timer库分为两个版本，一个是已经被弃用的header only库，可以直接引用。另一个推荐使用的库，需要链接动态库。然而问题就在于此。原来的Boost使用的是libstdc++作为标准库编译的，而我更换了标准库后，编译阶段是没有问题的，但是在链接的时候，提示

undefined reference to `boost::timer::format(boost::timer::cpu_times const&, short, std::__1::basic_string<char, std::__1::char_traits<char>, std::__1::allocator<char> > const&)'

如果对于编译比较熟悉的话，应该是知道这是在链接时找不到符号导致的错误，一般是没有链接动态库导致的错误。而比较奇怪的是，提示的只有这一个函数，如果是没有链接相关的动态库，应该是有更多的提示，而不是仅仅只有这一条。然后想到更换了标准库，猜想应该是std::string在编译时符号不一致导致的。

经过验证的确如此。通过对以下文件分别使用不同的库进行编译。

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <boost/timer/timer.hpp>
using namespace std::chrono_literals;
boost::timer::auto_cpu_timer timer;
int my_func(std::string data);
int main() {
  my_func("test");
  return 0;
}

得到的报错分别是：

libc++

undefined reference to `my_func(std::__1::basic_string<char, std::__1::char_traits<char>, std::__1::allocator<char> >)'

而libstdc++

undefined reference to `my_func(std::__cxx11::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char> >)'

可以看到差别，如果编译成汇编文件，还可以看到更加详细的差别。总之，不同的标准库无法简单的混编。也许Modules能解决这一问题吧。

博客原文：https://www.cnblogs.com/ink19/p/std_thread-5.html