讲座主题：C++中的std::counting_semaphore和std::binary_semaphore有什么区别？
大家好，欢迎来到今天的C++技术讲座！今天我们要聊一聊C++20中引入的两个新工具：std::counting_semaphore和std::binary_semaphore。如果你对多线程编程感兴趣，或者想让自己的程序变得更加优雅高效，那么这两个家伙绝对值得你花时间了解。
在开始之前，我们先来热热身，思考一个问题：为什么我们需要信号量？
答案很简单——信号量是一种用于控制多个线程对共享资源访问的同步机制。它就像一个交通灯，告诉线程什么时候可以通行，什么时候需要等待。而std::counting_semaphore和std::binary_semaphore就是两种不同类型的“交通灯”。
第一幕：什么是std::binary_semaphore？
定义与特点
std::binary_semaphore是一个非常简单的信号量实现，它只有两种状态：开（1） 和 关（0）。你可以把它想象成一个普通的开关按钮。如果按钮是开的，线程可以通过；如果按钮是关的，线程就必须等待。
根据C++标准文档的描述，std::binary_semaphore本质上是一个计数信号量，但它的计数范围被限制为[0, 1]。换句话说，它只能表示“有没有可用资源”这一种情况。
使用场景
当你只需要控制某个资源是否可用时，std::binary_semaphore就足够了。例如：
- 控制单个线程进入某个关键区域。
- 实现简单的生产者-消费者模型。
示例代码
#include <semaphore>
#include <iostream>
#include <thread>
std::binary_semaphore gate(1); // 初始状态为开
void worker(int id) {
gate.acquire(); // 尝试通过门
std::cout << "Worker " << id << " is working.n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
gate.release(); // 工作完成，释放门
}
int main() {
std::thread t1(worker, 1);
std::thread t2(worker, 2);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}在这个例子中，gate就像一扇门，一次只能让一个线程通过。当一个线程调用acquire()时，它会尝试获取这扇门的使用权；如果门已经被占用，则该线程会被阻塞，直到门被释放。
第二幕：什么是std::counting_semaphore？
定义与特点
std::counting_semaphore是一个更通用的信号量实现，它可以表示任意范围内的计数值。换句话说，它不仅可以告诉你“有没有资源”，还可以告诉你“有多少资源”。它的计数范围由模板参数指定，默认为unsigned long类型的最大值。
根据C++标准文档的描述，std::counting_semaphore<N>允许你设置一个最大计数值N，并且可以通过acquire()和release()操作动态调整当前计数值。
使用场景
当你需要管理多个共享资源时，std::counting_semaphore就显得尤为重要。例如：
- 控制多个线程同时访问某个资源。
- 实现复杂的生产者-消费者模型。
示例代码
#include <semaphore>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
std::counting_semaphore<3> pool(3); // 最大允许3个线程同时访问
void worker(int id) {
pool.acquire(); // 尝试获取资源
std::cout << "Worker " << id << " is using the resource.n";
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
pool.release(); // 释放资源
}
int main() {
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
threads.emplace_back(worker, i);
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
return 0;
}在这个例子中，pool代表一个资源池，最多允许3个线程同时访问。如果超过3个线程尝试获取资源，它们将被阻塞，直到有其他线程释放资源。
第三幕：两者的区别对比
为了让大家更直观地理解两者的区别，我们用一张表格来总结：
| 特性 | std::binary_semaphore |
std::counting_semaphore |
|---|---|---|
| 计数范围 | [0, 1] |
[0, N] |
| 是否支持多资源管理 | 否 | 是 |
| 使用场景 | 简单的互斥锁或二元信号量 | 复杂的资源管理或并发控制 |
| 性能 | 更轻量，更快 | 稍微复杂，性能略低 |
第四幕：如何选择？
选择哪种信号量取决于你的具体需求：
- 如果你只需要控制某个资源的“有无”，那就用
std::binary_semaphore。 - 如果你需要管理多个资源，并且希望线程能够动态调整访问权限，那就用
std::counting_semaphore。
记住，C++标准库的设计哲学是“不要为不需要的功能付出额外的代价”。因此，在实际开发中，尽量选择最简单的工具来解决问题。
结语
好了，今天的讲座到这里就结束了！希望你能通过这篇文章对std::counting_semaphore和std::binary_semaphore有更深的理解。如果你觉得这篇文章有用，不妨点个赞或者分享给你的朋友们吧！
最后，引用一句国外技术文档中的话：“Synchronization primitives are like spices in cooking—use them wisely to enhance your program’s flavor.”（同步原语就像是烹饪中的调料——明智地使用它们，让你的程序更加美味。）
谢谢大家的聆听！下期再见！
