概述

本位承接上一篇多线程同步（上），接着讲解剩下的C++多线程同步的三种方式：信号量、future和promise，原子操作。

信号量

在C++中，信号量（semaphore）是一种同步机制，用于控制多个线程对共享资源的访问。信号量通常用于限制对共享资源的并发访问数量，或者用于实现线程之间的同步。

信号量的工作原理类似于一个计数器，它维护着一个整数值。当一个线程需要访问共享资源时，它会尝试获取信号量。如果信号量的值大于零，那么线程将信号量的值减一，并继续执行。如果信号量的值为零，那么线程将被阻塞，直到信号量的值大于零为止。

当一个线程完成对共享资源的访问后，它会释放信号量，即将信号量的值加一。这允许其他等待的线程获取信号量并访问共享资源。

示例一

因为C++11及其标准库中并没有提供原生的信号量类。但C++20特性中提供了信号量类。
在C++20之前，C++标准库没有提供原生的信号量类。相反，开发者通常使用std::condition_variable和std::mutex来模拟信号量的行为，或者依赖第三方库或平台特定的实现来获取信号量的功能。

代码实现

信号量实际上应用计数的原理，用于控制对共享资源的并发访问数量。它允许一定数量的线程同时访问资源，当达到这个数量时，其他尝试获取资源的线程将会被阻塞，直到有线程释放了资源。

需设置可供访问共享资源的最大线程数量,每有一个线程访问，信号量就减一，访问结束后加一。在这个过程中若是信号量的个数为0，则要访问的线程会被阻塞，等待其它正在访问的线程结束后，信号量加一，信号量不为0时才可访问。

下面是使用条件变量和互斥锁实现的信号量。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>using namespace std;const int g_n = 3;
mutex g_mutex;
condition_variable g_cond;
int g_count = 0;void increase() {for (int i = 0; i < 5; ++i) {unique_lock<mutex> lock(g_mutex);g_cond.wait(lock, [] {return g_count < g_n; });++g_count;cout << "increase" << g_count << endl;g_cond.notify_all();}
}void decrease() {for (int i = 0; i < 5; ++i) {unique_lock<mutex> lock(g_mutex);g_cond.wait(lock, [] {return g_count > 0; });cout << "decrease:" << g_count << endl;--g_count;g_cond.notify_all();}
}int main()  
{thread t1(decrease);thread t2(increase);t1.join();t2.join();cout << "主线程的id：" << this_thread::get_id() << endl;return 0;
}

运行结果

分析

这里使用互斥锁和条件变量来模拟信号量。加计数中当g_count > g_n，即g_count 的数值大于3的时候阻塞等待，释放锁。加计数线程处理函数释放锁之后，减计数线程处理函数开始获取锁，当g_count > 0，即g_count的值大于0，继续向下执行。相反g_count 的值小于等于0则减计数线程处理函数阻塞等待，释放锁。

其中有一个环节就是当其中的一个线程处理函数被阻塞等待，另一个线程处理函数获得锁之后执行到最后会调用notify_all()来唤醒阻塞等待的线程，但这时候被唤醒的线程能不能得到锁就取决与线程，操作系统的调度策略。

下面详细分析下运行结果下的程序运行过程。

1. t1线程启动减计数线程处理函数，获取锁，执行到第二行wait时，由于不满足g_count 大于0的条件（g_count 此时为0），阻塞等待，并释放锁。
2. t2线程的加计数线程处理函数获取锁，满足wait条件：g_count 小于3。不用等待继续向下执行，增加g_count 的值并输出。最后唤醒被阻塞的减计数wait,并在i=0这个循环结束为开其i=1的短暂瞬间释放锁。
3. 减计数wait被唤醒，但是没有抢到锁。只能继续等待。
4. 加计数函数继续i=1的循环，创建unique_lock获取锁，条件满足，继续向下执行。结束i=2的循环前唤醒减计数的wait,当结束本次循环，未在下次循环创建unique_lock获取锁之前，减计数函数都可以去抢锁。但实际上没有抢到锁。只能继续等待。
5. 当i =3时，加计数的wait中条件不满足(false)，阻塞等待,释放锁。
6. 减计数的wait获得锁（因为之前已经被唤醒，所以减计数线程处理函数处于就绪状态，一旦有锁被释放，就会尝试获取锁），满足g_count 大于0，向下继续执行，每个循环中g_count 每次减1，当条件不再满足，就再次释放锁，阻塞等待。
7. 此时加计数因为之前已被减计数唤醒，处于就绪状态，减计数一旦释放锁，加计数就会获得锁，满足条件，向下执行。唤醒减计数，但减计数没有获得锁。直到加计数的循环次数达到5次，结束循环，释放锁。
8. 减计数获得锁，满足条件，向下执行。直到for循环结束。

示例二

这个示例需要支持c++20，使用semaphore类。

开发环境

vs2019，且将项目属性设置为支持c++20。

代码实现

本例比价简单，主要是理解其如何使用，及其思想。
下面为代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>//C++20
#include <mutex>using namespace std;counting_semaphore g_sem(3);
mutex g_mutex;
#define NUM 5void fun(int i) {g_sem.acquire();g_mutex.lock();//为了输出的线程不被其它访问的线程中断cout << "子线程" <<this_thread::get_id()<<"编号"<<i<< endl;g_mutex.unlock();this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(10));//为了模拟操作耗时g_sem.release();
}
int main()  
{thread threads[NUM];for