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1. 修改第三章单例的示例,添加 inline 关键字
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2. 修正”C++20信号量“的部分描述
3. 修改“C++20 闩与屏障”一节内容,修改完成了 `std::latch`,更新部分 `std::barrier` #12
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Mq-b committed Jun 3, 2024
1 parent b6d0bf2 commit 415417c
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4 changes: 2 additions & 2 deletions md/03共享数据.md
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Expand Up @@ -725,13 +725,13 @@ void process_data(){
```cpp
class my_class;
my_class& get_my_class_instance(){
inline my_class& get_my_class_instance(){
static my_class instance; // 线程安全的初始化过程 初始化严格发生一次
return instance;
}
```
多线程可以安全的调用 `get_my_class_instance` 函数,不用为数据竞争而担心。此方式也在单例中多见,是简单合理的做法。
即使多个线程同时访问 `get_my_class_instance` 函数,也只有一个线程会执行 instance 的初始化,其它线程会等待初始化完成。这种实现方式是线程安全的,不用担心数据竞争。此方式也在单例中多见,被称作“Meyers Singleton”单例,是简单合理的做法。
---
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114 changes: 101 additions & 13 deletions md/04同步操作.md
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Expand Up @@ -1219,58 +1219,146 @@ int main() {
这段代码很简单,以至于我们可以在这里来再说一条概念:

- `counting_semaphore` 是一个轻量同步原语,能控制对共享资源的访问。不同于 [std::mutex](https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/mutex)`counting_semaphore` **允许同一资源进行多个并发的访问**至少允许 `LeastMaxValue` 个同时的访问者
- `counting_semaphore` 是一个轻量同步原语,能控制对共享资源的访问。不同于 [std::mutex](https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/mutex)`counting_semaphore` **允许同一资源进行多个并发的访问*****至少**允许 `LeastMaxValue` 个同时访问者*[^5]
- `binary_semaphore``std::counting_semaphore` 的特化的别名,其 `LeastMaxValue` 为 1。

`LeastMaxValue` 是我们设置的非类型模板参数,意思是信号量维护的计数最大值。我们这段代码设置的是 `3`,也就是允许 3 个同时访问者。事实上我们的代码就是这样做的。
`LeastMaxValue` 是我们设置的非类型模板参数,意思是信号量维护的**计数最大值**。我们这段代码设置的是 `3`,也就是允许 3 个同时访问者。

> 虽然说是说有 LeastMaxValue 可能不是最大,但是我们通常不用在意这个事情,[MSVC STL 的实现](https://github.com/microsoft/STL/blob/697653d/stl/inc/semaphore#L63-L65)中 max 函数就是直接返回 `LeastMaxValue`,将它视为信号量维护的计数最大值即可。
牢记信号量的基本的概念不变,计数的值不能小于 `0`,如果当前信号量的计数值为 `0`,那么执行“***等待***”(acquire)操作的线程将会**一直阻塞**。明白这点,那么就都不存在问题。

通过这种方式,可以有效控制 Web 服务器处理并发请求的数量,防止服务器过载。

[^4]:注:**如果信号量只有二进制的 0 或 1,称为二进制信号量(binary semaphore)**,这就是这个类型名字的由来。

## C++20 闩与屏障
[^5]:注:如其名所示,LeastMaxValue 是**最小 的最大值**,而**非实际 最大值**。静态成员函数 [`max()`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/counting_semaphore/max)可能产生大于 LeastMaxValue 的值。

## C++20 闩与屏障

闩 (latch) 与屏障 (barrier) 是线程协调机制,允许任何数量的线程阻塞**直至期待数量的线程到达**。闩不能重复使用,而屏障则可以。

- **`std::latch`:单次使用的线程屏障**
- **`std::barrier`:可复用的线程屏障**

它们定义在标头 **`<latch>`**
它们定义在标头 **`<latch>`****`<barrier>`**

与信号量类似,屏障也是一种古老而广泛应用的同步机制。许多系统 API 提供了对屏障机制的支持,例如 POSIX 和 Win32。此外,[OpenMP](https://learn.microsoft.com/zh-cn/cpp/parallel/openmp/2-directives?view=msvc-170#263-barrier-directive) 也提供了屏障机制来支持多线程编程。

### `std::latch`

“闩”,这个字其实个人觉得是不常见,“**门闩**是指们背后用来关门的棍子。好了好了,不用在意,在 C++ 中就是先前说的:*单次使用的线程屏障*
“闩”,这个字其实个人觉得是不常见,“**门闩**是指门背后用来关门的棍子。好了好了,不用在意,在 C++ 中就是先前说的:*单次使用的线程屏障*

`latch` 类维护着一个 [`std::ptrdiff_t`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/types/ptrdiff_t) 类型的计数[^5],且只能**减少**计数,**无法增加计数**。在创建对象的时候初始化计数器的值。线程可以阻塞,直到 latch 对象的计数减少到零。由于无法增加计数,这使得 `latch` 成为一种**单次使用的屏障**
`latch` 类维护着一个 [`std::ptrdiff_t`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/types/ptrdiff_t) 类型的计数[^6],且只能**减少**计数,**无法增加计数**。在创建对象的时候初始化计数器的值。线程可以阻塞,直到 latch 对象的计数减少到零。由于无法增加计数,这使得 `latch` 成为一种**单次使用的屏障**

```cpp
std::latch work_done{ 3 };
std::latch work_start{ 3 };

void work(){
std::cout << "等待其它线程执行\n";
work_done.wait(); // 等待计数为 0
work_start.wait(); // 等待计数为 0
std::cout << "任务开始执行\n";
}

int main(){
std::jthread thread{ work };
std::this_thread::sleep_for(3s);
work_done.count_down(); // 默认值是 1
work_done.count_down(2); // 传递参数 减少计数 2
std::cout << "休眠结束\n";
work_start.count_down(); // 默认值是 1 减少计数 1
work_start.count_down(2); // 传递参数 2 减少计数 2
}
```

[**运行结果**](https://godbolt.org/z/sEhMeraYs)

```txt
等待其它线程执行
休眠结束
任务开始执行
```

在这个例子中,通过调用 `wait` 函数阻塞子线程,直到主线程调用 `count_down` 函数原子地将计数减至 `0`,从而解除阻塞。这个例子清楚地展示了 `latch` 的使用,其逻辑比信号量更简单。

---

由于 `latch` 的计数不可增加,它的使用通常非常简单,可以用来划分任务执行的工作区间。例如:

```cpp
std::latch latch{ 10 };

void f(int id) {
//todo.. 脑补任务
std::this_thread::sleep_for(1s);
std::cout << std::format("线程 {} 执行完任务,开始等待其它线程执行到此处\n", id);
latch.arrive_and_wait();
std::cout << std::format("线程 {} 彻底退出函数\n", id);
}

int main() {
std::vector<std::jthread> threads;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back(f,i);
}
}
```

> [运行](https://godbolt.org/z/Trhh9jdbf)测试。
> [运行](https://godbolt.org/z/KKjdWWKdq)测试。
[`arrive_and_wait`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/latch/arrive_and_wait) 函数等价于:`count_down(n); wait();`。也就是减少计数 + 等待。这意味着

通过调用 `wait` 函数阻塞子线程,直到主线程调用 `count_down` 函数原子地将计数减至 `0` ,得以解除阻塞。相信这个例子就能很清楚的展示 `latch` 的使用,它的逻辑比信号量还要简单
必须等待所有线程执行到 `latch.arrive_and_wait();` 将 latch 的计数减少至 `0` 才能继续往下执行。这个示例非常直观地展示了如何使用 `latch` 来划分任务执行的工作区间

[^5]: 注:通常的[实现](https://github.com/microsoft/STL/blob/939513b/stl/inc/latch#L88)是直接保有一个 `std::atomic<std::ptrdiff_t>` 私有数据成员,以保证计数修改的原子性。原子类型在我们第五章的内容会详细展开。
由于 `latch` 的功能受限,通常用于简单直接的需求,不少情况很多同步设施都能完成你的需求,在这个时候请考虑**使用尽可能功能最少的那一个**

- 使用功能尽可能少的设施有助于开发者阅读代码理解含义。如果使用的是一个功能丰富的设施,可能就无法直接猜测其意图。

[^6]: 注:通常的[实现](https://github.com/microsoft/STL/blob/939513b/stl/inc/latch#L88)是直接保有一个 `std::atomic<std::ptrdiff_t>` 私有数据成员,以保证计数修改的原子性。原子类型在我们第五章的内容会详细展开。

### `std::barrier`

上节我们学习了 `std::latch` ,本节内容也不会对你构成难度。

[`std::barrier`](https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/barrier)`std::latch` 最大的不同是,前者可以在阶段完成之后将计数重置为构造时传递的值,而后者只能减少计数。我们用一个非常简单直观的示例为你展示:

```cpp
std::barrier barrier{ 10,
[n = 1]()mutable noexcept {std::cout << "\t第" << n++ << "轮结束\n"; }
};

void f(int start, int end){
for (int i = start; i <= end; ++i) {
std::osyncstream{ std::cout } << i << ' ';
barrier.arrive_and_wait(); // 减少计数并等待 解除阻塞时就重置计数并调用函数对象

std::this_thread::sleep_for(300ms);
}
}

int main(){
std::vector<std::jthread> threads;
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
threads.emplace_back(f, i * 10 + 1, (i + 1) * 10);
}
}
```
**可能的[运行结果](https://godbolt.org/z/9Tnsz537e)**:
```txt
1 21 11 31 41 51 61 71 81 91 第1轮结束
12 2 22 32 42 52 62 72 92 82 第2轮结束
13 63 73 33 23 53 83 93 43 3 第3轮结束
14 44 24 34 94 74 64 4 84 54 第4轮结束
5 95 15 45 75 25 55 65 35 85 第5轮结束
6 46 16 26 56 96 86 66 76 36 第6轮结束
47 17 57 97 87 67 77 7 27 37 第7轮结束
38 8 28 78 68 88 98 58 18 48 第8轮结束
9 39 29 69 89 99 59 19 79 49 第9轮结束
30 40 70 10 90 50 60 20 80 100 第10轮结束
```

注意输出的规律,第一轮每个数字最后一位都是 `1`,第二轮每个数字最后一位都是 `2`……以此类推,因为我们分配给每个线程的输出任务就是如此,然后利用了屏障一轮一轮地打印。

## 总结

在并发编程中,同步操作对于并发编程至关重要。如果没有同步,线程基本上就是独立的,因其任务之间的相关性,才可作为一个整体执行(比如第二章的并行求和)。本章讨论了多种用于同步操作的工具,包括条件变量、future、promise、package_task、信号量。同时,详细介绍了 C++ 时间库的知识,以使用并发支持库中的“限时等待”。还使用 CMake + Qt 构建了一个带有 UI 界面的示例,展示异步多线程的**必要性**
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