C++如何使用std::barrier和std::latch (C++20)_C++线程同步机制与barrier/latch使用

std::latch为一次性同步机制，初始化后通过count_down()减少计数，当计数归零时释放所有等待线程，适用于主线程等待多线程完成任务的场景；std::barrier支持重复使用，允许线程在多个阶段到达后继续执行，并可设置完成函数，适合循环协作；两者均需正确匹配线程数量以避免死锁，且应通过引用传递并注意生命周期管理。

在C++20中，std::barrier 和 std::latch 是两种新的线程同步工具，用于协调多个线程的执行节奏。它们比传统的互斥锁和条件变量更简洁高效，适用于特定的协作场景。

std::latch：一次性倒计数门栓

std::latch 是一个一次性的同步机制，初始化时设定一个计数值，每个线程调用 count_down() 会将计数减一，当计数归零时，所有等待的线程被释放。一旦触发，latch 就永远打开，不能再重置。

常见用途：主线程等待一组工作线程完成任务。

示例代码：

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#include 
#include 
#include 
#include 

void worker(int id, std::latch& latch) {
    std::cout << "Worker " << id << " is working...\n";
    // 模拟工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100 * (id + 1)));
    latch.count_down(); // 完成后倒计数减一
}

int main() {
    const int num_threads = 3;
    std::latch latch(num_threads);
    std::vector workers;

    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        workers.emplace_back(worker, i, std::ref(latch));
    }

    std::cout << "Main thread waiting for workers...\n";
    latch.wait(); // 等待所有worker完成

    std::cout << "All workers done!\n";

    for (auto& t : workers) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

std::barrier：可重复使用的屏障

std::barrier 允许一组线程在某个点上汇合，所有线程都到达后才能继续执行。与 latch 不同的是，barrier 可以多次使用（通过 arrive_and_wait()），适合循环协作场景。

你还可以为 barrier 设置一个“完成函数”（completion function），在每次所有线程到达后自动执行一次。

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示例代码：

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#include 
#include 
#include 
#include 

void participant(int id, std::barrier<>& b) {
    for (int phase = 0; phase < 3; ++phase) {
        std::cout << "Thread " << id << " working in phase " << phase << "\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50 * (id + 1)));
        b.arrive_and_wait(); // 所有线程必须到达这里
        std::cout << "Phase " << phase << " completed by thread " << id << "\n";
    }
}

int main() {
    const int num_threads = 3;
    std::barrier barrier(num_threads);
    std::vector threads;

    for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
        threads.emplace_back(participant, i, std::ref(barrier));
    }

    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    return 0;
}

latch vs barrier：如何选择？

理解两者的差异有助于正确使用：

• std::latch 是一次性同步：计数归零后不可恢复，适合“启动后等待完成”的场景。
• std::barrier 支持重复使用，适合多阶段协同计算，比如并行迭代算法中的每轮同步。
• latch 提供 count_down() 和 wait()，允许不同线程调用不同次数；barrier 要求每个线程在每轮调用一次 arrive_and_wait() 或配对使用 arrive() / wait()。

注意事项与最佳实践

使用这些新工具时注意以下几点：

• 确保初始化的计数值与实际参与同步的线程数一致，否则会死锁或提前释放。
• latch 的 count_down() 可被单个线程调用多次（只要总和等于初始值），但通常建议每个线程调用一次。
• barrier 的 completion function 运行在最后一个到达的线程上下文中，不要在里面做耗时操作，以免阻塞整体进度。
• 这些类型不是线程安全的复制或移动，需确保生命周期管理正确，通常用引用传递给线程。

基本上就这些。std::latch 和 std::barrier 让C++20的并发编程更清晰、安全，减少了手写条件变量的复杂性。合理使用能显著提升多线程代码的可读性和可靠性。