C++并发编程实战：条件变量实现线程同步详解

C++并发编程实战：条件变量实现线程同步详解

Cplusplus-Concurrency-In-Practice A Detailed Cplusplus Concurrency Tutorial 《C++ 并发编程指南》 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/Cplusplus-Concurrency-In-Practice

条件变量在多线程编程中的作用

条件变量(Condition Variable)是C++多线程编程中实现线程同步的重要工具。它允许线程在特定条件不满足时进入等待状态，直到其他线程通知条件可能已发生变化。这种机制避免了忙等待(busy-waiting)，大大提高了线程效率。

条件变量的基本使用模式

条件变量通常与互斥锁(mutex)配合使用，形成"锁+条件变量"的经典组合。这种组合可以实现复杂的线程同步逻辑，特别是在生产者-消费者模式中非常有用。

核心组件解析

1. std::condition_variable：提供等待和通知功能
2. std::mutex：保护共享数据的互斥访问
3. std::unique_lock/std::lock_guard：RAII风格的锁管理

代码实例深入分析

让我们通过一个典型示例来理解条件变量的工作流程：

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex m;
std::condition_variable cv;
std::string data;
bool ready = false;
bool processed = false;

void worker_thread()
{
    // 等待主线程发送数据
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return ready;});
    }
    
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data += " after processing";
    
    // 处理完成后通知主线程
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        processed = true;
        std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
    }
    cv.notify_one();
}

int main()
{
    std::thread worker(worker_thread);
    
    data = "Example data";
    // 发送数据给工作线程
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        ready = true;
        std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
    }
    cv.notify_one();
    
    // 等待工作线程完成
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return processed;});
    }
    std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
    
    worker.join();
}

执行流程详解

1. 主线程：

   • 创建工作线程
   • 设置共享数据
   • 获取锁，设置ready标志为true
   • 通知工作线程数据已准备好
   • 等待工作线程完成处理

2. 工作线程：

   • 等待数据准备就绪
   • 处理数据
   • 获取锁，设置processed标志为true
   • 通知主线程处理已完成

关键点解析

1. wait方法的使用：

   • cv.wait(lk, predicate)会自动释放锁并进入等待状态
   • 当被唤醒时，会重新获取锁并检查predicate条件
   • 如果条件为false，会继续等待

2. 通知机制：

   • notify_one()唤醒一个等待线程
   • notify_all()唤醒所有等待线程

3. 锁的选择：

   • wait()必须与std::unique_lock配合使用
   • 简单加锁场景可以使用std::lock_guard

条件变量的常见陷阱

1. 虚假唤醒(Spurious Wakeup)：

   • 线程可能在没有收到通知的情况下被唤醒
   • 必须使用predicate条件来避免虚假唤醒

2. 通知丢失：

   • 如果在没有线程等待时调用notify，通知会丢失
   • 需要合理设计同步逻辑

3. 死锁风险：

   • 错误的锁管理可能导致死锁
   • 确保在等待前释放锁，唤醒后重新获取锁

实际应用场景

条件变量特别适合以下场景：

1. 生产者-消费者模式
2. 线程池任务分配
3. 事件驱动编程
4. 资源可用性通知

性能考虑

1. 尽量减少临界区的范围
2. 避免在临界区内进行耗时操作
3. 合理选择通知方式(notify_one vs notify_all)
4. 考虑使用std::atomic优化简单标志

总结

条件变量是C++多线程编程中强大的同步工具，正确使用它可以实现高效的线程间通信。理解其工作原理和使用模式，能够帮助开发者编写出更健壮、高效的并发程序。记住始终将条件变量与互斥锁配合使用，并通过predicate条件来避免虚假唤醒问题。

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