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c++中的std::barrier和std::latch如何同步线程? (C++20并发原语)

尼克

尼克

发布时间:2026-01-16 12:36:10

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来源于php中文网

原创

std::barrier通过arrive_and_wait()实现多线程集体等待,达阈值后全部唤醒并自动重置;std::latch为一次性计数器,count_down()归零后wait()立即返回,不可重用。

c++中的std::barrier和std::latch如何同步线程? (c++20并发原语)

std::barrier 怎么让多个线程在某个点集体等待?

std::barrier 是一个可重用的同步点,所有参与线程调用 arrive_and_wait() 后会阻塞,直到指定数量的线程都到达,然后全部同时被唤醒。它适合循环中反复使用的场景,比如并行计算的每一轮迭代同步。

  • 构造时必须传入参与线程数(std::barrier b{N}),这个 N 是“到达阈值”,不是线程对象数,需确保恰好有 Narrive_and_wait() 调用
  • 每次唤醒后状态自动重置,下一轮可继续用,无需重建
  • 可选提供回调函数std::barrier b{N, []{ /* 仅在最后一人到达时执行一次 */ }};),该回调在最后一个线程到达、但所有线程尚未被唤醒前执行,常用于聚合结果或刷新共享状态
  • 若某线程提前退出(如抛异常),未调用 arrive_and_wait(),则其余线程永久阻塞 —— 这是常见死锁源头
std::barrier b{3};
std::vector ts;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    ts.emplace_back([&b]{
        // 各自做些事
        std::this_thread::sleep_for(100ms * (i+1));
        b.arrive_and_wait(); // 全部到这里等齐才继续
        // 继续后续操作
    });
}
for (auto& t : ts) t.join();

std::latch 为什么只能用一次?

std::latch 是一次性计数器,初始值为 N,每次调用 count_down() 减一,当值归零时所有等待线程立即被唤醒;之后再调用 wait() 会立刻返回,count_down() 也无效果。它适合“等待 N 个前置任务完成”的单次协调场景,比如启动阶段初始化依赖。

  • 不能重置,也不能获取当前计数值(没有 get_count())—— 设计上就是“只降不升、只用一次”
  • 线程可调用 count_down() 多次,只要总减量 ≥ 初始值,就足以触发释放;但通常每个参与者只调一次
  • 如果某个线程忘记调用 count_down(),其他调了 wait() 的线程就会永远卡住 —— 和 barrier 类似,漏调 = 死锁
  • 相比 std::condition_variable + std::mutex 手动实现,latch 更轻量、无锁路径优化更好,且语义更清晰
std::latch l{2};
std::thread t1([&l]{ do_work(); l.count_down(); });
std::thread t2([&l]{ do_work(); l.count_down(); });

l.wait(); // 主线程等两个子任务都完成 t1.join(); t2.join();

barrier 和 latch 在异常或提前退出时怎么保安全?

两者都不处理线程中途崩溃或异常退出。一旦有线程没走到 arrive_and_wait()count_down() 就退出,剩余线程必然死锁。没有内置的“超时取消”或“自动恢复”机制。

  • 必须确保每个路径(包括异常分支)都调用对应同步操作:建议用 RAII 包装,例如写个 barrier_arriverlatch_counter 类,在析构里调用 count_down()
  • std::barrier::arrive() 是非阻塞版本,返回一个 std::barrier::arrival_token,可用于延迟 wait(),但极少用;日常应坚持用 arrive_and_wait() 简化逻辑
  • 不要混用:比如用 latch 做多轮同步,或用 barrier 替代一次性等待 —— 语义错位容易引发维护困惑和误用
  • 它们都不涉及内存序控制,对共享数据的读写仍需额外同步(如 std::atomic 或互斥量),barrier 的回调里修改变量,其它线程在 arrive_and_wait() 返回后才能安全读

什么时候该选 barrier,什么时候选 latch?

看同步模式是否需要“重复使用”和“是否允许部分线程跳过”。简单记:要循环等齐用 barrier,只等一次完成用 latch

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  • 并行排序的每轮分区后同步 → barrier
  • 主线程等待日志模块、网络模块、配置加载三个初始化完成 → latch{3}
  • 一个线程负责收集多个异步任务结果,但只关心“是否全到”,不关心谁先谁后 → latch 更合适
  • 多个工作线程协作处理分片数据,每轮迭代都要等彼此算完再合并 → barrier,且可用回调做合并

实际项目里,latch 使用频率略高,因为很多初始化/启动/关闭流程天然是一次性的;而 barrier 更多出现在高性能计算或自定义并行算法中。两者底层都基于 futex 或类似内核原语,性能远优于手写条件变量,但用错场景反而更难调试。

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