讲座主题：C++中的std::barrier——让线程们排队等信号！
大家好！今天我们要聊一聊C++20中新增的一个非常有趣的工具——std::barrier。如果你对多线程编程感兴趣，或者正在头疼如何让多个线程同步工作，那么这个讲座绝对适合你！我会用轻松诙谐的语言和一些代码示例，带你深入了解std::barrier是什么、怎么用，以及它能帮你解决哪些问题。
什么是std::barrier？
简单来说，std::barrier是一个同步工具，用于让一组线程在某个点上“会合”。想象一下，你正在组织一场接力赛跑，每个选手必须在跑到终点后停下来等待其他选手也到达终点，然后大家一起继续比赛。std::barrier就是这场接力赛的裁判，负责确保所有选手都到达了指定位置后再发号施令。
在C++中，std::barrier允许我们定义一个“屏障”，当一定数量的线程到达这个屏障时，它们可以一起继续执行后续任务。如果没有达到预定数量，线程就会被阻塞，直到所有线程都到达。
std::barrier的基本结构
std::barrier是一个模板类，其定义如下：
template <class F = std::nullptr_t, std::size_t N = std::thread::hardware_concurrency()>
class barrier;F：这是一个可调用对象（Callable），当所有线程到达屏障时会被调用。你可以把它理解为“最后一名选手到达终点时，裁判吹哨并宣布比赛结果”。N：这是线程的数量，表示需要多少个线程到达屏障才能解除阻塞。默认值是std::thread::hardware_concurrency()，即硬件支持的最大并发线程数。
使用场景：为什么我们需要std::barrier？
在多线程编程中，我们经常需要协调多个线程的行为。以下是一些常见的使用场景：
- 数据初始化：假设你有多个线程需要共享某些数据，但这些数据必须在所有线程开始计算之前完成初始化。
- 分阶段计算：多个线程协作完成一个任务，任务分为多个阶段，每个阶段完成后所有线程需要同步到下一个阶段。
- 性能测试：在测试多线程程序的性能时，确保所有线程同时开始运行。
示例代码：接力赛跑
下面是一个简单的例子，模拟三个线程参与接力赛跑：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <barrier>
#include <vector>
void runner(std::barrier<> &b, int id) {
std::cout << "Runner " << id << " is running...n";
// 模拟跑步时间
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::cout << "Runner " << id << " has reached the barrier.n";
b.arrive_and_wait(); // 到达屏障并等待
std::cout << "Runner " << id << " continues the race.n";
}
int main() {
std::barrier<> b(3); // 定义一个屏障，需要3个线程到达
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
threads.emplace_back(runner, std::ref(b), i);
}
for (auto &t : threads) {
t.join();
}
std::cout << "All runners have finished the race!n";
return 0;
}输出可能如下：
Runner 1 is running...
Runner 2 is running...
Runner 3 is running...
Runner 1 has reached the barrier.
Runner 2 has reached the barrier.
Runner 3 has reached the barrier.
Runner 1 continues the race.
Runner 2 continues the race.
Runner 3 continues the race.
All runners have finished the race!在这个例子中，每个线程代表一个选手，他们都必须到达屏障后才能继续比赛。
高级用法：带回调函数的屏障
有时候，我们希望在线程到达屏障时执行一些额外的操作。例如，统计所有线程的运行时间。可以通过传递一个可调用对象作为模板参数来实现：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <barrier>
#include <vector>
#include <chrono>
void worker(std::barrier<void(*)()> &b, int id) {
std::cout << "Worker " << id << " is working...n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
b.arrive_and_wait(); // 到达屏障并等待
std::cout << "Worker " << id << " continues working.n";
}
int main() {
auto callback = []() {
std::cout << "All workers have reached the barrier! Let's take a break.n";
};
std::barrier<decltype(callback)> b(3, callback); // 定义一个带回调的屏障
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
threads.emplace_back(worker, std::ref(b), i);
}
for (auto &t : threads) {
t.join();
}
std::cout << "All workers have finished their tasks!n";
return 0;
}输出可能如下：
Worker 1 is working...
Worker 2 is working...
Worker 3 is working...
Worker 1 continues working.
Worker 2 continues working.
Worker 3 continues working.
All workers have reached the barrier! Let's take a break.
All workers have finished their tasks!性能与注意事项
虽然std::barrier功能强大，但在使用时需要注意以下几点：
- 线程数量匹配：如果线程数量少于屏障设定的数量，程序可能会永远阻塞。
- 性能开销：频繁使用屏障可能会导致性能下降，尤其是在高并发环境中。
- 异常处理：如果某个线程在到达屏障前抛出异常，可能会导致其他线程卡住。
总结
std::barrier是C++20引入的一个非常实用的工具，适用于需要多线程同步的场景。通过它可以轻松实现线程间的协作和分阶段计算。希望今天的讲座能让你对std::barrier有更深入的理解，并在实际项目中灵活运用它。
如果你还有任何疑问，欢迎随时提问！下次见啦~
