C++ 并发编程指南（9）条件变量

前言

在并发编程中，线程同步是确保共享资源安全访问的关键。C++中的条件变量作为一种同步原语，允许线程在特定条件下等待或通知其他线程，从而协调线程的执行。本文将简要介绍C++条件变量的基本概念、使用方法和注意事项，并通过示例展示其在并发编程中的应用。通过学习本文，您将能够掌握C++条件变量的基本用法，提升程序的性能和可靠性。

一、条件变量

1、基本概念

条件变量是一个同步原语，它允许线程在一定条件下等待或通知其他线程。当某个条件不满足时，一个线程可以选择等待，而不是忙等待（即不断地检查条件是否满足）。当条件满足时，另一个线程会通知等待的线程，使其能够继续执行。

2、C++中的条件变量

在C++中，条件变量是通过<condition_variable>头文件提供的std::condition_variable类实现的。这个类提供了两个主要的成员函数：wait()和notify_one()（或notify_all()）。

• wait(): 使当前线程进入等待状态，直到另一个线程调用notify_one()或notify_all()。在等待期间，当前线程会释放它持有的所有锁，从而允许其他线程访问共享资源。当收到通知并重新获得锁后，线程会退出等待状态并继续执行。
• notify_one(): 唤醒一个正在等待的线程。如果有多个线程在等待，则只有一个线程会被唤醒。
• notify_all(): 唤醒所有正在等待的线程。

3、使用条件变量的基本步骤

• 初始化条件变量和互斥锁：在使用条件变量之前，需要先创建一个std::condition_variable对象和一个std::mutex对象。互斥锁用于保护共享资源，防止多个线程同时访问。
• 等待条件满足：在需要等待的线程中，首先锁定互斥锁，然后调用条件变量的wait()函数。这将释放互斥锁并使线程进入等待状态。
• 修改条件并通知：当条件发生变化时（通常是由另一个线程修改共享资源导致的），拥有互斥锁的线程应该调用notify_one()或notify_all()来唤醒等待的线程。
• 继续执行：被唤醒的线程在重新获得互斥锁后会退出等待状态，并继续执行。

4、注意事项

• 避免虚假唤醒：条件变量可能会导致虚假唤醒，即在没有调用notify_one()或notify_all()的情况下，线程被唤醒。因此，在wait()返回后，应重新检查条件是否真正满足。

while (!(xxx条件) )
{
   
   
    //虚假唤醒发生，由于while循环，再次检查条件是否满足，
    //否则继续等待，解决虚假唤醒
    wait();  
}

• 正确管理锁：条件变量的wait()函数需要一个std::unique_lock对象作为参数。std::unique_lock是一个更加灵活的锁对象，可以在不同的作用域内自动管理锁的获取和释放。
• 正确处理异常：在锁定互斥锁和调用条件变量的过程中，如果发生异常，可能会导致锁没有被正确释放。因此，建议使用RAII（资源获取即初始化）技术来管理锁的生命周期，确保在异常发生时也能正确释放锁。

5、问题剖析

5.1、为什么只能使用std::unique_lock管理锁？

使用std::unique_lock而不是std::lock_guard来管理与条件变量配合使用的互斥锁的原因主要有以下几点：

• 解锁再休眠：当线程调用wait()函数时，std::unique_lock会自动释放互斥锁，