std::counting_semaphore计数器为0时调用acquire()的问题及编译器推荐

问题核心 #

当std::counting_semaphore的计数器值被减至0后，若有其他线程调用acquire()，会触发什么行为？结合下方示例代码，线程t1将计数器降至0后，线程t3调用acquire()导致程序陷入永久阻塞，表现为“处理超时”，以下是具体分析。

示例代码 #

#include <iostream>
#include <semaphore>
#include <thread>
#include <vector>

std::vector<int> myVec{};
std::counting_semaphore<2> signal(1);

void addElement() 
{
    std::cout << "In addElement() \n";
    myVec.insert(myVec.end(), {0, 1, 0, 3});
    std::cout << "Sender: Element added ."  << '\n';
    std::cout << "In addElement() value1 :" << signal.max() << "\n";
    signal.release();    
}

void accessElement() 
{
    std::cout << "Waiter:: Waiting for data accessing." << '\n';
    std::cout << "In accessElement() value1 :" << signal.max() << "\n";
    signal.acquire();
    std::cout << "updated the element........." << '\n';
}

int main() 
{
    std::thread t1(accessElement);
    t1.join();
    std::thread t3(accessElement);
    t3.join();
    std::thread t2(addElement);
    t2.join();
}

行为分析 #

1. 信号量初始化：示例中signal是最大许可数为2的计数信号量，初始计数器值为1。

2. 线程执行顺序与阻塞原因：

   • 主线程先启动t1并调用join()，t1执行accessElement()时调用signal.acquire()，计数器从1减至0，t1完成后退出。
   • 接着主线程启动t3并调用join()，t3执行accessElement()时再次调用signal.acquire()——此时计数器已经是0，根据std::counting_semaphore的规则，acquire()会阻塞当前线程，直到有其他线程调用release()使计数器大于0。
   • 但主线程要等t3执行完成才会启动t2，而t2是唯一会调用signal.release()的线程，这就形成了死锁：t3阻塞等待计数器增加，t2永远没机会启动来释放信号量，最终程序陷入永久阻塞，表现为“处理超时”。

3. acquire()的标准行为：

   • 当计数器值>0时，acquire()会原子性地将计数器减1，线程立即继续执行；
   • 当计数器值=0时，调用acquire()的线程会被挂起，进入阻塞状态，直到有其他线程调用release()（每次release()会将计数器加1，最大不超过信号量的许可上限），线程才会被唤醒并执行计数器减1操作。

推荐在线编译器 #

可用于测试此类多线程示例的在线工具包括：

• 编译器资源管理器（Compiler Explorer）：支持C++20及以上标准，能查看编译后的汇编代码，同时支持运行多线程程序观察行为
• 在线GDB调试器（Online GDB）：支持设置断点、单步调试，便于追踪线程阻塞的具体位置
• CPP.sh：轻量便捷，可快速编译运行C++代码，适合快速验证多线程逻辑

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Mangy