C++20 semaphore

01 C++20 semaphore

下面是在 www.open-std.org 對 C++20 semaphore 的一點介紹內容。（semaphores、latch、barrier）
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2019/p1135r2.html
¹

cppreference.com 中的標準庫頭文件 <semaphore> 中也給出了詳細定義。²。

C++20 中提供了兩個信號量類。(其實binary_semaphore僅僅是counting_semaphore的一個特例。)

信號量類名	含義
counting_semaphore	實現非負資源計數的信號量
binary_semaphore	僅擁有二個狀態的信號量

cppreference.com中給出的關於semaphore的定義如下:

// 概要
namespace std {
  template<ptrdiff_t LeastMaxValue = /* 實現定義 */>
    class counting_semaphore;
 
  using binary_semaphore = counting_semaphore<1>;
}

// 類模板 std::counting_semaphore
namespace std {
  template<ptrdiff_t LeastMaxValue = /* 實現定義 */>
  class counting_semaphore {
  public:
    static constexpr ptrdiff_t max() noexcept;
 
    constexpr explicit counting_semaphore(ptrdiff_t desired);
    ~counting_semaphore();
 
    counting_semaphore(const counting_semaphore&) = delete;
    counting_semaphore& operator=(const counting_semaphore&) = delete;
 
    void release(ptrdiff_t update = 1);
    void acquire();
    bool try_acquire() noexcept;
    template<class Rep, class Period>
      bool try_acquire_for(const chrono::duration<Rep, Period>& rel_time);
    template<class Clock, class Duration>
      bool try_acquire_until(const chrono::time_point<Clock, Duration>& abs_time);
 
  private:
    ptrdiff_t counter;          // 僅用於闡釋
  };
}

std::counting_semaphore³

1. counting_semaphore 是一個輕量同步元件，能控制對共享資源的訪問。不同於 std::mutex 、 counting_semaphore 允許同一資源有多於一個同時訪問，至少允許 LeastMaxValue 個同時的訪問者若LeastMaxValue 爲負則程序爲謬構。
2. binary_semaphore 是 std::counting_semaphore 的特化的別名，其 LeastMaxValue 爲 1 。實現可能將 binary_semaphore 實現得比 std::counting_semaphore 的默認實現更高效。
   counting_semaphore 含有由構造函數初始化的內部計數器。由調用 acquire() 與相關方法減少此計數器，而它通過調用 release() 增加。計數器爲零時， acquire() 阻塞該計數器直至它增加，但 try_acquire() 不阻塞； try_acquire_for() 與 try_acquire_until() 阻塞直至計數器增加或到達時限。
   類似 std::condition_variable 的 wait() ， counting_semaphore 的 try_acquire() 可能虛假地失敗。

std::counting_semaphore的主要接口

接口	含義
release	增加內部計數器併除阻獲取者
acquire	減少內部計數器或阻塞到直至能如此
try_acquire	嘗試減少內部計數器而不阻塞
try_acquire_for	嘗試減少內部計數器，至多阻塞一段時長
try_acquire_until	嘗試減少內部計數器，阻塞直至一個時間點
max	返回內部計數器的最大可能值(靜態，常量)

註解
如其名所示， LeastMaxValue 是最小的最大值，而非實際最大值。從而 max() 能產生大於 LeastMaxValue 的值。

不同於 std::mutex ， counting_semaphore 不捆綁到執行線程——能在不同於釋放信號量的線程獲取該信號量。能同時進行 counting_semaphore 上的所有操作而無需聯繫到任何特定的執行線程，除了不能同時執行，但能在一個不同的線程上執行析構函數。

信號量亦常用於發信/提醒而非互斥，通過初始化該信號量爲 ​0​ 從而阻塞嘗試 acquire() 的接收者，直至提醒者通過調用 release(n) “發信”。在此方面可把信號量當作 std::condition_variable 的替用品，通常它有更好的性能。

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1. semaphores、latch、barrier ↩︎

2. 標準庫頭文件 <semaphore> ↩︎

3. std::counting_semaphore ↩︎