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C++中的std::latch是什么?(如何实现线程同步屏障)

冰火之心

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发布时间:2026-02-21 16:19:48

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来源于php中文网

原创

std::latch 是 c++20 提供的一次性屏障同步原语,初始化时指定计数 count,调用 arrive() 递减计数,wait() 阻塞至归零;不可重用,非零时重复 wait 或归零后调用 arrive()/wait() 行为未定义。

c++中的std::latch是什么?(如何实现线程同步屏障)

std::latch 是 C++20 引入的轻量级线程同步原语

它用来实现“等待所有线程到达某一点后再一起继续”的屏障(barrier)行为,但和 std::barrier 不同:它只能触发一次,且不支持重用或回调。

典型使用场景是启动一批工作线程,等它们全部初始化完毕再统一开始执行主逻辑;或者主线程等待 N 个子线程完成各自任务后才继续——这时 std::latchstd::condition_variable + std::mutex 组合更简洁、无锁(底层通常基于原子操作)。

怎么初始化和等待:count 和 arrive() 是关键

构造时传入一个整数 count,表示需要多少次 arrive() 调用才能让等待者通过;每次调用 arrive() 会让内部计数减一;调用 wait() 会阻塞直到计数归零。

  • std::latch latch(3); 表示需 3 次 arrive()
  • 每个线程做完事就调 latch.arrive();,不是由某个线程“发号施令”
  • 主线程(或其他线程)调 latch.wait(); 即可阻塞等待
  • 不能对已触发的 std::latch 再调 arrive()wait(),否则行为未定义

常见错误:误当 std::barrier 用,或重复 wait

最常踩的坑是以为 std::latch 可重置——它不可重用。一旦 count 归零,后续任何 arrive()wait() 都是未定义行为(实践中可能 crash 或 hang)。

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  • 错误写法:latch.wait(); latch.arrive(); latch.wait(); —— 第二个 wait() 无效且危险
  • 如果需要多次屏障,必须用 std::barrier(C++20),它支持 arrive_and_wait() 和自动重置
  • 跨线程访问同一个 std::latch 对象时,确保生命周期足够长(比如分配在堆上或作为类成员),别在线程还在用它时就析构
  • 注意编译器支持:GCC 10+、Clang 11+、MSVC 19.28+ 才完整支持;老版本可能只提供实验性实现(如 std::experimental::latch

性能与替代方案对比:比 condition_variable 更快,但功能受限

std::latch 的实现通常基于原子变量 + futex(Linux)或类似内核机制,避免了互斥锁争用,在高并发下延迟更低;但它不提供超时等待(try_wait_for)、不支持自定义动作(如 barrier 的 completion phase),也不像 std::semaphore 那样能跨多个阶段复用。

  • 若只需“一次性等 N 个信号”,std::latch 是最优选
  • 若要等 N 次“每轮都等齐”,改用 std::barrier
  • 若要带超时、或需要更细粒度控制(比如只唤醒部分等待者),还是得回到 std::condition_variable + std::mutex
  • 别试图用 std::latch 实现信号量:它没有“release”或“acquire”语义,也没有计数值暴露接口

它的设计哲学很明确:够用、轻量、一次性的同步点。想让它干更多事,反而容易绕进未定义行为里。

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