条件变量

最新推荐文章于 2025-07-08 10:29:48 发布

原创最新推荐文章于 2025-07-08 10:29:48 发布 · 4.2k 阅读

18 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#Linux系统编程

Linxu系统编程专栏收录该内容

83 篇文章

订阅专栏

条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所（共享的数据）。主要应用函数：

pthread_cond_init函数 pthread_cond_destroy函数

pthread_cond_wait函数 pthread_cond_timedwait函数

pthread_cond_signal函数 pthread_cond_broadcast函数

以上6 个函数的返回值都是：成功返回0，失败直接返回错误号。

pthread_cond_t类型用于定义条件变量 pthread_cond_t cond;

引入条件变量的目的：在使用互斥锁的基础上引入条件变量可以使程序的效率更高，因为条件变量的引入明显减少了线程取竞争互斥锁的次数。执行pthread_cond_wait或pthread_cond_timedwait函数的线程明显知道了条件不满足，要因此在其释放锁之后就没有必要再跟其它线程去竞争锁了，只需要阻塞等待signal或broadcast函数将其唤醒。这样提高了效率。

（1）pthread_cond_init函数

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

作用：初始化一个条件变量

参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可。也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

（2）pthread_cond_destroy函数

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

作用：销毁一个条件变量

（3）pthread_cond_wait函数

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

作用：阻塞等待条件变量cond（形参1）满足条件，且释放已经掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex)（注意这是一个原子操作，即阻塞等待的同时马上解锁，类似sigsuspend函数）；当被唤醒（signal或broadcast函数），pthread_cond_wait函数返回，解除阻塞并重新申请获取互斥锁：pthread_mutex_lock(&mutex);

（4）pthread_cond_timedwait函数

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

作用：与pthread_cond_wait函数作用相同，但其限时等待一个条件变量，即如果在规定的时间点（第三个形参）还未被唤醒时，该线程自动唤醒并解除阻塞重新申请获取互斥锁：pthread_mutex_lock(&mutex);

参数3：struct timespec结构体。

struct timespec {

time_t tv_sec; /* seconds */ 秒

long tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒

}

struct timespec结构体定义的是绝对时间（从1970年1月1日00:00:00开始计时的时间，unix操作系统的诞辰是1969年末）。time(NULL)返回的就是绝对时间（秒）。而alarm(1)是相对时间（相对于当前），相对当前时间定时1秒钟。

struct timespec t = {1, 0}; pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒（早已经过去）。 1970年1月1日 00:00:00秒作为计时元年。正确用法：

time_t cur = time(NULL); //获取当前时间（绝对时间）

struct timespec t; //定义timespec 结构体变量t

t.tv_sec = cur+1; //定时1秒

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参参考APUE.11.6线程同步条件变量小节

在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：

struct timeval {

time_t tv_sec; /* seconds */ 秒

suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒

};

（5）pthread_cond_signal函数

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

作用：唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程。

（6）pthread_cond_broadcast函数

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

作用：唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

（7）生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。

看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

//生产者消费者条件变量模型

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

struct production {
    int num;
    struct production *next;
};                  

struct production *head = NULL;  //定义全局指针head
struct production *rer = NULL;   //定义全局指针rer

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  //静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  //静态初始化

void *productor( void *arg )    //生产者
{
        srand( time( NULL ) );

        while(1){
            pthread_mutex_lock( &mutex );
            rer = (struct production *)malloc( sizeof(struct production) );
            rer->num = (rand( )%400 + 1);
            rer->next = head;
            head = rer;
            printf("--------The production is %d.\n",rer->num);
            pthread_mutex_unlock( &mutex );

            pthread_cond_signal( &cond );  //唤醒因wait阻塞的线程

            sleep( rand( )%3 );
        }


        return NULL;
}

void *consumer( void *arg )  //消费者
{
        srand( time( NULL ) );

        while(1){
            pthread_mutex_lock( &mutex );
            while( head == NULL )   //注意不能是if，必须采用循环
                pthread_cond_wait( &cond, &mutex );
            rer = head;
            head = rer->next;
            printf("++++++++The consumer is %d.\n",rer->num);
            pthread_mutex_unlock( &mutex );

            sleep( rand( )%3 );
        }

        return NULL;
}

int main( void )
{
        pthread_t pid, cid;
        int ret;

        ret = pthread_create( &pid, NULL, productor, NULL);
        if( ret != 0)
        {
            fprintf(stderr,"pthread_create error1: %s\n",strerror(ret));
            exit(1);
        }
        ret = pthread_create( &cid, NULL, consumer, NULL);
        if( ret != 0)
        {
            fprintf(stderr,"pthread_create error2: %s\n",strerror(ret));
            exit(1);
        }

        ret = pthread_join(pid,NULL);
        if( ret != 0)
        {
            fprintf(stderr,"pthread_join error1: %s\n",strerror(ret));
            exit(1);
        }

        ret = pthread_join(cid,NULL);
        if( ret != 0)
        {
            fprintf(stderr,"pthread_join error2: %s\n",strerror(ret));
            exit(1);
        }

        pthread_cond_destroy(&cond);         //销毁条件变量
        pthread_mutex_destroy(&mutex);       //销毁互斥锁

        return 0;
}

[root@localhost 02_pthread_sync_test]# ./pthrd_cond

--------The production is 257.

++++++++The consumer is 257.

--------The production is 324.

--------The production is 327.

++++++++The consumer is 327.

--------The production is 180.

--------The production is 313.

++++++++The consumer is 313.

--------The production is 285.

++++++++The consumer is 285.

++++++++The consumer is 180.

++++++++The consumer is 324.

--------The production is 21.

--------The production is 351.

++++++++The consumer is 351.

分析：

将生产者与消费者共享的资源（产品）用链表这种数据结构表示，head始终指向链表表头，rer用于向链表中增加或删除元素时的中间过渡。注意：这里的head与rer都是全局指针，都会被所有的消费者和生产者线程所共享，因此访问这两个资源时，都必须采用互斥锁，即先加锁，再访问，最后解锁。否则容易出现段错误。
这个程序只是创建了一个生产者线程和一个消费者线程，但是考虑的时候应该考虑有多个生产者线程和多个消费者线程。每一个线程都是采用互斥锁访问共享资源head和rer。通过采用条件变量把线程阻塞原因分为三部分：1.生产者因为加锁时（锁未解锁）而阻塞；2.消费者因为加锁时（锁未解锁）而阻塞；3.消费者因为执行了wait而阻塞（这是因为条件不满足）。这三部分线程，每当有锁解锁时，只有前两部分线程会去竞争，而第三部分线程只有等待被唤醒后才会去竞争。因此采用条件变量可以减少互斥锁的竞争次数。
上述程序中之所以必须采用while，是因为当因为wait阻塞而唤醒的线程，即使抢到了锁，公共资源也可能被其余消费者消耗了（因为生产者在signal之前会解锁，而解锁会引发消费者再次竞争锁），因此必须再次判断共享资源是否为空。
这道题目如果对共享资源的最大数量有限制，那么生产者线程也要引入条件变量。
相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。