C++20中的counting_semaphore的应用

一、std::counting_semaphore

在前面介绍过C++20中的同步库，其中就提到过std::counting_semaphore。但当时的重点是同步库的整体介绍，本文则会对std::counting_semaphore这个信号量进行一个全面的分析和说明，并有针对性的给出具体的例程。
C++20中对其的定义为：

template< std::ptrdiff_t LeastMaxValue = /* implementation-defined */ >
class counting_semaphore;
using binary_semaphore = std::counting_semaphore<1>;

LeastMaxValue值并不实际最大值，即此值是可以被突破的。

二、应用说明

要想掌握好std::counting_semaphore，如果能够在学习操作系统时将其中的PV原语理解的很透彻，那么这就不是什么问题了。所以推荐大家如果不清楚的可以回头先看一看什么是PV原语。
std::counting_semaphore作为一个轻量级的同步原语，主要是用来对共享资源的控制，与互斥体等的不同，其允许对同一资源进行指定数量的线程同步访问。怎么说呢，其实就是C++标准中的同步控制，在以前基本只能同一情况下访问同一资源（其它库如Posix，windows平台等）。可能大牛们觉得已经够用了，但在其它语言都推出了信号灯及其类似的同步原语，而且随着C++应用的不断发展，应该是大牛们觉得还是要提供一下类似的实现（这只是个人猜测）。
counting_semaphore提供了一个指定线程同步访问的数量，而binary_semaphore则可以理解成前者的一个特化例子，只支持0,1两种状态，有点类似于互斥体，但它没有所有权一说。这样应用到一些特定的场景时不用调用复杂的counting_semaphore。
std::counting_semaphore与普通的Mutex一个重要的不同在于，与线程的所有权控制不同，前者不会绑定到指定的线程，也即任何一个线程都可以进行获取和释放信号量，请开发者一定要明白。
其最典型的两个接口为：
1、std::counting_semaphore::release
原子性的按Update增加内部计数器，即增加信号量。当然update的值需要大于等0且小于等于最大值-当前计数器大小。
2、std::counting_semaphore::acquire
原子性的将内部计数器减1,前提是内部计数器大于0；否则将阻塞线程，直到计数器超过0。

这里有一个需要注意的情况，counting_semaphore在信号的下限即0时，调用acquire，不会出现异常问题；但在到达上限时，再调用release，则会出现UB行为。这点非常重要。
如果大家想扩展一下视野，还可以看看其它库或平台中的类似的semaphore的实现，也可以看看其它语言（如Java等）中类似的实现，就可以更好的理解信号量的应用。

三、例程

看一下cppreference上的例程：

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <semaphore>
#include <thread>// global binary semaphore instances
// object counts are set to zero
// objects are in non-signaled state
std::binary_semaphoresmphSignalMainToThread{0},smphSignalThreadToMain{0};void ThreadProc()
{// wait for a signal from the main proc// by attempting to decrement the semaphoresmphSignalMainToThread.acquire();// this call blocks until the semaphore's count// is increased from the main procstd::cout << "[thread] Got the signal\n"; // response message// wait for 3 seconds to imitate some work// being done by the threadusing namespace std::literals;std::this_thread::sleep_for(3s);std::cout << "[thread] Send the signal\n"; // message// signal the main proc backsmphSignalThreadToMain.release();
}int main()
{// create some worker threadstd::thread thrWorker(ThreadProc);std::cout << "[main] Send the signal\n"; // message// signal the worker thread to start working// by increasing the semaphore's countsmphSignalMainToThread.release();// wait until the worker thread is done doing the work// by attempting to decrement the semaphore's countsmphSignalThreadToMain.acquire();std::cout << "[main] Got the signal\n"; // response messagethrWorker.join();
}

运行结果：

[main] Send the signal
[thread] Got the signal
[thread] Send the signal
[main] Got the signal

四、总结

大牛陈硕曾经说过，实际的编程场景基本用不到semaphore，如果真用到了，极有可能设计上有问题。他的这个说法本人非常赞同。建议在实际场景中尽量还是谨慎使用这种信号量，不过，在某些特定的场景下，如果确实是需要使用信号量，或者整体考虑代价要小于其它方法的情况下，也不是不可以使用。
仍然是前面反复提到的，合适的就是最好的。技术本身没有绝对的好与坏！