c++中如何实现一个简单的信号量Semaphore_c++多线程同步【详解】

C++17及更早版本无原生信号量，需用std::condition_variable+std::mutex+计数器手动实现；C++20引入std::counting_semaphore，但依赖编译器和系统支持，手写轻量Semaphore类更稳妥，关键为m_count、m_mutex、m_cv三要素。

为什么标准 C++ 没有 std::semaphore（直到 C++20）

在 C++17 及更早版本中，std::mutex、std::condition_variable 等是同步主力，但没有原生信号量。很多开发者误以为缺了它就写不了资源计数控制——其实可以用 std::condition_variable + std::mutex + 计数器手动模拟，而且逻辑清晰、可控性强。

C++20 引入了 std::counting_semaphore（注意不是 std::semaphore），但它要求编译器支持（如 GCC 11+、Clang 12+、MSVC 19.29+），且底层依赖系统信号量或 futex，跨平台行为未必一致。如果你的目标环境不明确支持 C++20，手写一个轻量 Semaphore 类反而更稳妥。

手写 Semaphore 类的关键成员和线程安全设计

核心是三个东西：一个整型计数器（m_count）、一把互斥锁（m_mutex）、一个条件变量（m_cv）。acquire() 阻塞直到计数 > 0；release() 增加计数并唤醒等待者。

常见错误包括：未用 while 循环检查条件（虚假唤醒）、release() 不加锁（导致 m_count 竞态）、忘记在 acquire() 中用 wait() 的 predicate 版本。

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• acquire() 必须用 m_cv.wait(m_mutex, [&]{ return m_count > 0; });，不能用 if (m_count
• release() 要先加锁、改计数、再 notify_one() 或 notify_all()；若只唤醒一个，多个等待线程可能仍阻塞
• 构造时传入初始值，应校验非负：若为负，抛 std::invalid_argument

C++11 兼容的手写 Semaphore 示例

以下实现无外部依赖，可直接编译运行（C++11 起）：

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下载

#include 
#include 

class Semaphore {
    std::mutex m_mutex;
    std::condition_variable m_cv;
    int m_count;

public:
    explicit Semaphore(int count = 0) : m_count(count) {
        if (count < 0) throw std::invalid_argument("Semaphore count cannot be negative");
    }

    void acquire() {
        std::unique_lock lock(m_mutex);
        m_cv.wait(lock, [&] { return m_count > 0; });
        --m_count;
    }

    void release() {
        std::unique_lock lock(m_mutex);
        ++m_count;
        m_cv.notify_one(); // 或 notify_all()，依场景选
    }
};

使用示例：限制最多 2 个线程同时访问某资源：

#include 
#include 

Semaphore sem(2);

void worker(int id) {
    sem.acquire();
    std::cout << "Worker " << id << " entered\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout << "Worker " << id << " leaving\n";
    sem.release();
}

int main() {
    std::thread t1(worker, 1);
    std::thread t2(worker, 2);
    std::thread t3(worker, 3);
    std::thread t4(worker, 4);
    t1.join(); t2.join(); t3.join(); t4.join();
}

用 std::counting_semaphore（C++20）要注意什么

虽然标准提供了，但实际使用时容易忽略两点：

• 它不提供 try_acquire() 的超时版本（C++20 只有 try_acquire() 无参版），需要配合 std::chrono 手动轮询，性能差
• 某些平台（如 Windows MinGW）可能未完全实现，std::counting_semaphore 行为可能退化为互斥锁，失去计数语义
• 初始化值必须是常量表达式（constexpr），不能是运行时变量，否则编译失败

所以即使你用 C++20，对简单场景（如限流、池管理），手写 Semaphore 依然更透明、易调试、兼容性更好。

真正复杂的是需要跨进程、带优先级唤醒、或与操作系统信号量深度绑定的场景——那得用 POSIX sem_t 或 Windows CreateSemaphore，而不是标准库。