讲座主题：C++中的std::latch类模板在并发编程中的作用
大家好！欢迎来到今天的讲座。今天我们要聊聊C++中一个非常有趣的并发工具——std::latch。如果你正在学习或从事多线程编程，那么这个家伙可能会成为你的新宠儿。准备好了吗？让我们开始吧！
开场白：为什么我们需要std::latch？
想象一下，你正在做一个复杂的项目，比如开发一款多人在线游戏。在这个游戏中，玩家的每个动作都需要多个后台任务协同完成。例如，当玩家点击“攻击”按钮时，系统需要：
- 检查玩家是否有足够的能量。
- 更新敌人的生命值。
- 播放动画效果。
这些任务可以并行执行，但只有当所有任务都完成后，才能通知玩家“攻击成功”。如果没有合适的同步工具，代码可能会变得混乱不堪，甚至出现竞态条件（race condition）。
这时候，std::latch就派上用场了！它是一个简单的同步原语，允许我们等待多个任务完成后再继续执行后续操作。
什么是std::latch？
std::latch是C++20引入的一个类模板，用于控制线程之间的同步。它的主要功能是让一个或多个线程等待，直到某个计数器达到零为止。一旦计数器为零，所有等待的线程都会被释放。
简单来说，std::latch就像一个“门”，只有当所有前置任务完成后，这扇门才会打开，允许后续任务继续执行。
核心特性
- 不可重用：一旦计数器归零，
std::latch就不能再被重置。 - 轻量级：相比
std::condition_variable，std::latch更简单、更高效。 - 线程安全：可以在多个线程之间安全地使用。
std::latch的基本用法
让我们通过一个简单的例子来了解如何使用std::latch。
示例：模拟多个任务的完成
假设我们有三个任务需要并行执行，只有当它们全部完成后，主线程才能继续运行。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <latch>
void task(int id, std::latch& l) {
std::cout << "Task " << id << " is running...n";
// 模拟任务执行时间
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Task " << id << " completed.n";
l.count_down(); // 减少计数器
}
int main() {
std::latch l(3); // 初始化计数器为3
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
threads.emplace_back(task, i, std::ref(l));
}
l.wait(); // 主线程等待所有任务完成
std::cout << "All tasks are done! Continuing...n";
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return 0;
}输出结果
Task 1 is running...
Task 2 is running...
Task 3 is running...
Task 1 completed.
Task 2 completed.
Task 3 completed.
All tasks are done! Continuing...在这个例子中，std::latch确保了主线程只有在所有子任务完成后才会继续执行。
std::latch的关键成员函数
| 成员函数 | 描述 |
|---|---|
latch(int count) |
构造函数，初始化计数器的值。 |
count_down() |
减少计数器的值。如果计数器为零，则释放所有等待的线程。 |
count_down_and_wait() |
减少计数器的值，并立即进入等待状态。 |
wait() |
阻塞当前线程，直到计数器归零。 |
std::latch vs. std::barrier
既然我们提到了std::latch，那就不得不提到它的兄弟——std::barrier。两者都是C++20新增的同步工具，但它们的用途有所不同。
| 特性 | std::latch |
std::barrier |
|---|---|---|
| 可重用性 | 不可重用 | 可重用 |
| 等待行为 | 计数器归零后释放所有等待线程 | 所有线程到达屏障后继续执行 |
| 适用场景 | 等待一组任务完成 | 协调多个线程的阶段性工作 |
举个例子，如果你需要等待一组任务完成后再继续，选择std::latch；如果你需要让多个线程在某个点同步后再继续，选择std::barrier。
实战演练：使用std::latch实现文件下载器
接下来，我们来看一个稍微复杂一点的例子：实现一个多线程文件下载器。假设我们需要从多个服务器下载文件片段，只有当所有片段都下载完成后，才能将它们合并成完整文件。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <latch>
#include <string>
void download_segment(int segment_id, std::latch& l) {
std::cout << "Downloading segment " << segment_id << "...n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 模拟下载时间
std::cout << "Segment " << segment_id << " downloaded.n";
l.count_down();
}
void merge_segments() {
std::cout << "Merging segments into a single file...n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟合并时间
std::cout << "File merged successfully!n";
}
int main() {
int num_segments = 5;
std::latch l(num_segments);
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= num_segments; ++i) {
threads.emplace_back(download_segment, i, std::ref(l));
}
l.wait(); // 等待所有片段下载完成
merge_segments();
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return 0;
}输出结果
Downloading segment 1...
Downloading segment 2...
Downloading segment 3...
Downloading segment 4...
Downloading segment 5...
Segment 1 downloaded.
Segment 2 downloaded.
Segment 3 downloaded.
Segment 4 downloaded.
Segment 5 downloaded.
Merging segments into a single file...
File merged successfully!总结
今天我们学习了C++20中的std::latch，一个简单而强大的并发工具。它可以帮助我们在多线程程序中协调任务的执行顺序，避免竞态条件和死锁问题。
记住以下几点：
std::latch适合用于等待一组任务完成。- 它是不可重用的，一旦计数器归零，就不能再被重置。
- 如果你需要更复杂的同步逻辑，可以考虑使用
std::barrier或其他同步原语。
希望今天的讲座对你有所帮助！如果你有任何问题或想法，请随时提问。下次见啦！
