OS / Linux / pthread_cond_wait 为什么需要传递 mutex 参数？

栗子：

mutex.lock();

while (判断“条件”是否成立) {
    pthread_cond_wait 等待
}

mutext.unlock();

条件变量这个互斥锁，不是用来保护条件变量的内部状态。而是用来保护外部“条件”(就是那个 while 循环中的判断）。假如条件变量的内部状态需要锁定，完全可以在内部实现中维护一个锁，没有必要从外部传进来。

用于判断是否等待的“条件”，通常就是线程之间共享的某个变量值。A 线程判断“条件”等待，会读取共享变量。B 线程让“条件”满足，会修改变量。这个锁，就是保护线程间的共享变量（“条件”），让“条件”不会一边修改，一边读取。

这把锁还有个额外的作用。wait 函数会阻塞，将线程 A 放到阻塞队列中。wait 函数放在锁的 lock，unlock 内部，也保证了线程还没有真正放到阻塞队列时，线程 B 不能修改“条件”后进行唤醒。这段话应该暂时读不懂，可回头再看，先放在这里，不然描述就不够准确。

不同的应用会有不同的“条件”，在实现条件变量这个库时，是没有办法预先知道这个“条件”究竟是什么。因此要保护“条件”，就只能让用户自己在库外部分配锁。

弄清了这个互斥锁究竟在保护什么。这时我们才能进一步讨论 pthread_cond_wait 为什么要传入这个锁呢？这点就跟 wait 的实现有关。

先来看等待线程 A 的写法。

mutex.lock();

while (判断“条件”是否成立) {
    pthread_cond_wait 等待
}

mutext.unlock();

判断“条件”是否成立，在 lock, unlock 之间受到保护。pthread_cond_wait 可能会阻塞，假如真的阻塞，mutex 这锁就一直不能被释放了。因此在 pthread_cond_wait 的实现内部，在阻塞之前，必须先将锁释放。在唤醒的时候，再重新获取锁。

将 pthread_cond_wait 展开，内部实现中，会有下面的过程。

做一些其它事情
mutext.unlock()
阻塞中...
唤醒
mutext.lock()

假如在线程 A 中完全展开 pthread_cond_wait。

mutex.lock();

while (判断“条件”是否成立) {
    做一些其它事情
    mutext.unlock()
    阻塞
    唤醒
    mutext.lock()
}

mutext.unlock();

可以看到，判断“条件” 一直在 mutext 的 lock, unlock 之间，受到保护。

来到这里，我们总结一下。

1. 跟条件变量关联的互斥锁，是用于保护判断“条件”，并非条件变量的内部状态。
2. 将互斥锁，传入 wait 的实现中，是让条件变量库可以在适当的时机释放（unlock）和重新获取（lock）这把锁。

注意上面第 2 点中，“适当时机”这个词。假如不将这个锁传入 pthread_cond_wait，让用户自己在阻塞前先释放锁，是没有办法做到适当时机的。阻塞队列在条件变量库内部维护，只有条件变量库内部才能控制这个时机。

wait 会阻塞，将线程 A 放到阻塞队列中。在线程还没有真正放到阻塞队列时，需要一直上锁。不然另一线程 B 修改“条件”后进行唤醒，这个线程 A 还没有在阻塞队列中，就不能被唤醒了。因而这把保护外部判断“条件”的锁，需要传入到 wait 函数中。等将线程真正放到阻塞队列后才能解锁，之后线程被唤醒后再重新获取。

线程 A 的 pthread_cond_wait 需要传入 mutext，并且 pthread_cond_wait 一定要在 lock 和 unlock 之间。

至于线程 B, 用于修改“条件”。修改“条件” 也必须在 lock 和 unlock 之间，受互斥锁保护。至于 pthread_cond_signal 是否在 lock 和 unlock 之间，其实是没有关系的。但 pthread_cond_signal 必须在修改“条件”之后，不然可能 A 线程被唤醒后，条件不满足继续等待，这个唤醒信号就丢失了。

mutext.lock()
修改”条件“
pthread_cond_signal 唤醒
mutext.unlock()

也可以将 pthread_cond_signal 移到 unlock 外部。

mutext.lock()
修改”条件“
mutext.unlock()
pthread_cond_signal 唤醒

条件变量等待时，那个 wait 的判断，需要使用 while 循环，而不是 if，是防止虚假唤醒。就不再一一分析了。

 

作者：黄兢成
链接：https://www.zhihu.com/question/24116967/answer/676751734
来源：知乎
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（SAW：Game Over！）