C++新特性35_条件变量的引入（实现线程间数据传递、线程执行顺序；传统采用while（1）轮询方式解决线程按顺序执行和共享变量问题低效，用条件变量可以实现高效的事件模型（类似Qt信号槽和事件机制））

原创已于 2023-06-11 17:54:19 修改 · 722 阅读

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于 2022-03-09 13:57:09 首次发布

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本文介绍了C++中线程同步的问题，从使用mutex解决共享变量访问的安全性，到通过条件变量实现线程间的通信和顺序执行。通过示例展示了在没有条件变量时，线程可能会遇到的执行顺序问题和效率低下的轮询解决方案，并引出了条件变量作为更高效的通知机制。条件变量允许主线程在满足特定条件时通知子线程，提高了多线程通信的效率。

前几篇介绍了使用mutex互斥体实现线程同步，操作系统中另外一个重要的事情就是线程之间实现通信。线程之间通信包含以下两种情形：

线程之间可以通信即线程A B间的数据可以相互传递 。
A 与B线程之间是有先后的执行顺序的，一种情况是A线程在完成某个操作之后再运行B线程。

上述两种情况，使用互斥体mutex就可能显得不是很合适了，因为mutex的目的是为了以一种更加安全的方式去访问共享的变量，但无法做到线程间的数据通信或者实现线程之间逻辑的关系。因此引入新的控制同步的条件变量

C++11中是直接将Linux的机制封装，此处先讲在C语言中是如何实现的，再对C++中如何封装进行讲述，最后讲条件变量的使用场合。

1. 举例1：线程间存在先后的执行顺序和共享变量存在的问题

下例为对一个公共的string变量在线程A和B中进行传递，预期逻辑 A先传递信息给字符串，字符串信息后传递到B。

//#include "stdafx.h"
#include <iostream>           // std::cout
#include <thread>             // std::thread
#include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
#include <future>

using namespace std;

//全局互斥体，用于同步
std::mutex g_mtx;

//用于发送消息
std::string str;

//预期逻辑：A传递信息给字符串，字符串信息传递到B

//B 子线程回调函数
void worker_thread()
{
	printf("%s",str.c_str());
}


//A 主线程
int main()
{
	//创建B线程，随时可能执行,
	//很可能A还没有赋值B已经跑起来了
	std::thread thd(worker_thread);
	//使当前主线程睡眠1秒钟，使得CPU有机会切换执行子线程
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	str = "hello world";
	thd.join();
}

运行结果：主线程中回调用子线程的回调函数，在创建了B线程之后，随时可能切换到B线程中，导致还来不及赋值就跳转到B线程，导致打印出现问题（什么都没输出）。
在这里插入图片描述

2. 举例2：使用锁以轮询方式解决线程间存在先后的执行顺序和共享变量的问题

为了解决上面的问题：使用锁保证共享变量的同步操作，利用标志位g_isSet和while（1）进行线程A和B是否完成赋值的检查，具体代码如下：

//#include "stdafx.h"
#include <iostream>           // std::cout
#include <thread>             // std::thread
#include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
#include <future>

using namespace std;

//全局互斥体，用于同步
std::mutex g_mtx;

//用于发送消息
std::string str;

//增加标志位
bool g_isSet = false;

//预期逻辑 A先传递信息给字符串，字符串信息再传递到B

//问题：
//1.反应迟钝，等待时间长
//2.B线程不断循环（轮询），条件不成功，则休眠等待

//B 子线程回调函数
void worker_thread()
{
	//利用while（true）死循环不断查看标志位状态
	while (true)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(g_mtx);
		//判断标志位
		if (g_isSet)
		{
			printf("%s", str.c_str());
			break;
		}
		else {
			//条件未满足将子线程休息一会再循环
			std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
		
		}
	}
}


//A 主线程
int main()
{
	//创建B线程，随时可能执行,
	//很可能A还没有赋值B已经跑起来了
	std::thread thd(worker_thread);
	{
	//由于使用了共享变量，因此需要进行同步设置
		std::lock_guard<std::mutex> lk(g_mtx);

		//使当前主线程睡眠1秒钟，使得CPU可切换执行子线程
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		str = "hello world";
		//设置完成后标志位为true
		g_isSet = true;
	}
	
	thd.join();
}