C++20 Latches与Barriers：线程同步的效率、原子操作与自旋锁的结合
各位听众，大家好！今天我们来深入探讨C++20引入的两个重要的线程同步原语：Latches和Barriers。它们在并发编程中扮演着关键角色，可以有效地协调多个线程的执行，提升程序的性能。我们将详细分析它们的实现机制，重点关注它们如何利用原子操作和自旋锁来保证线程安全和效率。
1. 线程同步的必要性与传统方法
在多线程编程中，线程的执行顺序通常是不确定的。如果多个线程同时访问和修改共享数据，就可能导致数据竞争和不一致性，进而产生难以预料的错误。因此，我们需要线程同步机制来协调线程的执行，保证数据的一致性和程序的正确性。
传统的线程同步方法包括：
- 互斥锁 (Mutex)： 保护临界区，一次只允许一个线程访问共享资源。
- 条件变量 (Condition Variable)： 允许线程在特定条件下挂起等待，直到其他线程发出信号。
- 信号量 (Semaphore)： 控制对有限资源的并发访问。
这些方法功能强大，但也有一些局限性。例如，互斥锁可能导致死锁，条件变量的使用较为复杂，信号量在某些场景下可能效率不高。C++20引入的Latches和Barriers提供了一种更简洁、更高效的线程同步方式，特别适用于特定类型的并发问题。
2. Latch：一次性事件通知
Latch是一种一次性事件通知机制。它的核心思想是，初始化时设置一个计数器，多个线程等待计数器变为零。当某个（或某些）线程完成特定的任务后，递减计数器。一旦计数器变为零，所有等待的线程将被唤醒，继续执行。Latch是单向的，一旦计数器变为零，就不能再重置。
2.1 Latch 的基本用法
#include <iostream>
#include <thread>
#include <latch>
int main() {
std::latch done_latch(3); // 初始化 latch，计数器为 3
auto worker = [&done_latch](int id) {
std::cout << "Worker " << id << " started." << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟工作
std::cout << "Worker " << id << " finished." << std::endl;
done_latch.count_down(); // 递减计数器
};
std::thread t1(worker, 1);
std::thread t2(worker, 2);
std::thread t3(worker, 3);
std::cout << "Waiting for workers to finish." << std::endl;
done_latch.wait(); // 等待计数器变为零
std::cout << "All workers finished." << std::endl;
t1.join();
t2.join();
t3.join();
return 0;
}在这个例子中，done_latch 初始化为 3，表示需要等待 3 个 worker 线程完成任务。每个 worker 线程完成任务后，调用 count_down() 递减计数器。主线程调用 wait() 等待计数器变为零，一旦变为零，主线程被唤醒，继续执行。
2.2 Latch 的实现机制
Latch的实现通常基于原子操作和自旋锁。其核心数据结构可能如下：
class latch {
private:
std::atomic<unsigned int> counter;
// 可能包含一个自旋锁或者其他同步机制，用于保护等待线程的唤醒
public:
explicit latch(unsigned int count) : counter(count) {}
void count_down() {
unsigned int current_value = counter.load(std::memory_order_relaxed);
while (current_value > 0 && !counter.compare_exchange_weak(current_value, current_value - 1, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed)) {
// Spin until the counter is decremented or becomes 0
}
if (current_value == 1) {
// 最后一个递减计数器的线程需要负责唤醒所有等待线程
// 具体实现可能涉及条件变量或者futex
// 唤醒所有等待线程的代码省略， 因为标准库的latch实现细节通常不可见
}
}
void wait() {
while (counter.load(std::memory_order_acquire) > 0) {
// Spin until the counter becomes 0
std::this_thread::yield(); // 让出CPU时间片，避免过度占用CPU
}
}
};counter是一个原子变量，用于存储计数器的值。原子操作保证了多个线程对计数器的并发访问是安全的。count_down()函数使用compare_exchange_weak()原子操作递减计数器。compare_exchange_weak()会尝试将counter的值从current_value更改为current_value - 1。如果counter的当前值不是current_value，则操作失败，current_value会被更新为counter的当前值，然后循环重试。这种方式避免了使用锁，提高了效率。std::memory_order_release确保了递减操作之前的内存写入对其他线程可见。wait()函数使用std::memory_order_acquire加载counter的值。std::memory_order_acquire确保了在wait()函数返回之前，所有递减操作之后的内存写入对当前线程可见。wait()函数通过自旋等待计数器变为零。std::this_thread::yield()让出 CPU 时间片，避免过度占用 CPU。
2.3 Latch 的优势与适用场景
- 简洁易用： Latch 的 API 简单明了，易于理解和使用。
- 高效： Latch 的实现通常基于原子操作和自旋锁，避免了传统锁的开销，提高了效率。
- 适用于一次性事件通知： Latch 非常适合用于等待一组线程完成初始化、加载数据或执行其他准备工作。
3. Barrier：可重用的同步点
Barrier 是一种可重用的同步点。它的核心思想是，初始化时设置一个参与线程的数量，每个线程到达 barrier 后会阻塞等待。当所有线程都到达 barrier 后，所有线程被同时释放，继续执行。与 Latch 不同，Barrier 可以被多次使用，每次使用后会自动重置。
3.1 Barrier 的基本用法
#include <iostream>
#include <thread>
#include <barrier>
int main() {
std::barrier sync_point(3, []() { // 初始化 barrier，参与线程数为 3， completion function
std::cout << "All threads reached the barrier. Performing global computation." << std::endl;
});
auto worker = [&sync_point](int id) {
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
std::cout << "Worker " << id << " performing phase " << i << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 模拟工作
std::cout << "Worker " << id << " reached the barrier." << std::endl;
sync_point.arrive_and_wait(); // 到达 barrier 并等待
}
};
std::thread t1(worker, 1);
std::thread t2(worker, 2);
std::thread t3(worker, 3);
t1.join();
t2.join();
t3.join();
return 0;
}在这个例子中，sync_point 初始化为 3，表示需要等待 3 个线程到达 barrier。每个 worker 线程在一个循环中执行多个阶段的任务。每个阶段完成后，调用 arrive_and_wait() 到达 barrier 并等待。当所有线程都到达 barrier 后，会执行一个 completion function (lambda function)。该函数会在所有线程被释放之前执行。barrier 会自动重置，以便进行下一轮同步。
3.2 Barrier 的实现机制
Barrier 的实现比 Latch 复杂一些，通常需要使用互斥锁、条件变量和原子操作的组合。其核心数据结构可能如下：
class barrier {
private:
std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
std::size_t count;
std::size_t parties;
std::function<void()> completion_function;
bool generation = false; // 用于区分不同的 generation
public:
barrier(std::size_t parties, std::function<void()> completion_function = {})
: parties(parties), count(parties), completion_function(completion_function) {}
void arrive_and_wait() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
--count;
if (count == 0) {
// 最后一个到达的线程
if (completion_function) {
completion_function();
}
generation = !generation; // 切换 generation
count = parties; // 重置计数器
cv.notify_all(); // 唤醒所有等待线程
} else {
// 等待其他线程到达
cv.wait(lock, [&]() { return count == parties && generation != !generation; }); // 确保线程在正确的generation中被唤醒
}
}
};mutex和cv用于保护对count和generation的并发访问。count表示当前有多少个线程尚未到达 barrier。parties表示参与线程的总数。completion_function是一个可选的回调函数，在所有线程到达 barrier 后执行。generation用于区分 barrier 的不同轮次。每次所有线程到达 barrier 后，generation会被切换。这可以避免线程在错误的轮次被唤醒。arrive_and_wait()函数首先获取锁，然后递减count。如果count变为 0，表示所有线程都到达了 barrier。此时，执行completion_function，切换generation，重置count，并唤醒所有等待的线程。如果count不为 0，表示还有线程未到达 barrier，当前线程进入等待状态。
3.3 Barrier 的优势与适用场景
- 可重用： Barrier 可以被多次使用，适用于需要多次同步的场景。
- 支持 Completion Function： Barrier 允许指定一个 completion function，在所有线程到达 barrier 后执行。这可以用于执行一些全局性的计算或更新操作。
- 适用于迭代计算： Barrier 非常适合用于迭代计算，例如并行算法中的每一轮迭代都需要所有线程同步。
4. Latches 与 Barriers 的区别与选择
| 特性 | Latch | Barrier |
|---|---|---|
| 用途 | 一次性事件通知 | 可重用的同步点 |
| 可重用性 | 不可重用 | 可重用 |
| Completion Function | 不支持 | 支持 |
| 实现复杂度 | 相对简单 | 相对复杂 |
| 适用场景 | 初始化、加载数据等 | 迭代计算、并行算法等 |
在选择 Latch 和 Barrier 时，需要根据具体的应用场景进行权衡。如果只需要一次性事件通知，Latch 通常是更好的选择，因为它更简单高效。如果需要多次同步，或者需要在所有线程到达同步点后执行一些全局性的计算或更新操作，Barrier 则更适合。
5. 原子操作与自旋锁在 Latches 和 Barriers 中的作用
原子操作和自旋锁在 Latches 和 Barriers 的实现中扮演着至关重要的角色。
- 原子操作： 原子操作保证了对共享变量的并发访问是安全的，避免了数据竞争。例如，在 Latch 的
count_down()函数中，使用compare_exchange_weak()原子操作递减计数器，保证了多个线程可以安全地递减计数器。 - 自旋锁： 自旋锁是一种忙等待的锁。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程持有，该线程会不断地循环检查锁是否可用，而不是进入睡眠状态。自旋锁适用于锁的持有时间很短的场景。在 Latch 的实现中，可以使用自旋锁来保护等待线程的唤醒操作。Barrier 的实现则更倾向于使用互斥锁和条件变量，因为线程等待的时间可能较长，不适合使用自旋锁。
6. 优化建议
- 避免过度竞争： 尽量减少对共享变量的并发访问，避免出现过度竞争，提高程序的性能。
- 合理选择内存顺序： 根据实际情况选择合适的内存顺序，例如
std::memory_order_relaxed、std::memory_order_acquire、std::memory_order_release等。错误的内存顺序可能导致性能下降或出现数据竞争。 - 使用线程池： 使用线程池可以减少线程创建和销毁的开销，提高程序的性能。
- 避免长时间持有锁： 尽量减少锁的持有时间，避免其他线程长时间等待。
总结观点
Latches 和 Barriers 是 C++20 提供的强大的线程同步原语，它们可以简洁高效地协调多个线程的执行。理解它们的实现机制，合理选择和使用它们，可以有效地提升并发程序的性能。原子操作和自旋锁在它们的实现中扮演着关键角色，保证了线程安全和效率。
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