【c++ 高性能】：pthread多线程 pthread_cond_timedwait函数

• pthread_cond_timedwait 是 pthread 库中用于等待条件变量的函数之一，它和 pthread_cond_wait 类似，都是用于等待某个条件变量。然而，pthread_cond_timedwait 允许线程等待一定的时间，如果在指定时间内没有收到信号，它会超时返回，从而避免线程无限期地阻塞。

pthread_cond_wait 示例

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;  // 当前缓冲区中的项目数

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_producer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_consumer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* producer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        // 如果缓冲区满，等待消费者消费
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
        }

        // 生产一个项目
        buffer[count++] = rand() % 100;
        printf("Produced item %d\n", buffer[count-1]);

        // 通知消费者可以消费
        pthread_cond_signal(&cond_consumer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        // 如果缓冲区为空，等待生产者生产
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);
        }

        // 消费一个项目
        printf("Consumed item %d\n", buffer[--count]);

        // 通知生产者可以生产
        pthread_cond_signal(&cond_producer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod_thread, cons_thread;

    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond_producer);
    pthread_cond_destroy(&cond_consumer);

    return 0;
}

pthread_cond_timedwait 示例

• pthread_cond_timedwait 可用于需要等待特定条件但又不希望无限期等待的场景。通过设定超时时间，线程可以等待一段时间后执行其他操作，避免因为未收到条件变量的信号而陷入长时间的阻塞。

函数定义

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, 
                           pthread_mutex_t *mutex,
                           const struct timespec *abstime);

• 参数：

  • cond：条件变量指针。
  • mutex：互斥量指针。与 pthread_cond_wait 一样，pthread_cond_timedwait 需要先锁定互斥量。
  • abstime：指定的超时时间，类型为 struct timespec，表示绝对时间（即从某个时间点开始到目标时间的总时间，而不是相对时间）。

• 返回值：

  • 0：成功被唤醒。
  • ETIMEDOUT：超时，未被唤醒。
  • 其他错误码：失败。

关键点：

• pthread_cond_timedwait 使用绝对时间来指定超时时间，通常使用 clock_gettime 获取当前时间，然后将所需的超时时间加到 timespec 的 tv_sec 或 tv_nsec 字段中。
• 使用 pthread_cond_timedwait 的线程需要锁定互斥量，它会自动解锁互斥量，直到超时或收到信号时重新加锁。
• 超时返回 ETIMEDOUT，可以用来区分是正常被唤醒还是超时。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int shared_data = 0;

void* producer(void* arg) {
    sleep(2);  // 模拟生产过程
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    shared_data = 1;  // 生产数据
    printf("Producer: Data produced\n");
    pthread_cond_signal(&cond);  // 唤醒等待的消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);  // 获取当前时间
    ts.tv_sec += 5;  // 设置 5 秒的超时时间

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (shared_data == 0) {
        int res = pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &ts);
        if (res == ETIMEDOUT) {
            printf("Consumer: Wait timed out\n");
            break;
        } else {
            printf("Consumer: Data consumed\n");
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod_thread, cons_thread;

    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}