条件变量史上最详解

摘要

关于条件变量本人探究好久了，翻查很多博客书籍，都是说它能够弥补互斥锁不足，能够避免竞争，减少cpu的浪费。但是why? 一直没有找到自己想要的答案。最近比较理解了它。

为什么说条件变量要和互斥锁使用。

我们在生产者、消费者问题会遇到这样一种情况——消费者和生产者共同竞争互斥锁。当消费者远大于生产者时，此时若产品为0，但是每个消费者都去抢锁，抢到后发现没有产品，又释放，接着又被其他消费者抢到，又释放…而我们的生产者在旁边干着急。获取锁释放锁又涉及内核操作，由用户态进入内核态花费大量时间。

从图中我们看到，消费者和生产者处于竞争中，但是没有产品，他们处于盲目的竞争，而且浪费时间，我们需要一个管理人员来管理锁，如果没有产品就设置一个标识，表示没有产品，请生产者优先，各位消费者请排队等待。当生产好了，管理员设置标志，让消费者来。
这个管理员就是条件变量，这样优势就体现出来了：能够弥补互斥锁不足，能够避免竞争，减少cpu的浪费。

代码实现

 //线程同步必然离不开同步原语，而队列时同步原语的基础
 ThreadQueue {
    var queue: List of Thread;

    sleep() {
        enqueue current thread;
        put current thread to sleep;
    }

    wake() {
        if (queue not empty) {
            dequeue thread;
            wake thread;
        }
    }

    wake-all() {
        while (queue not empty)
            wake();
    }
}

/*锁的实现是通过队列实现的，当锁被使用了，就会进入队列并阻塞，
放弃对cpu的竞争*/
Lock {
    var isHeld: boolean;
    var waitQueue: ThreadQueue;

    acquire() {
        DisableInterrupts() /*单处理器通过禁用中断来避免竞争条件
        的发生，当中断禁止后，线程切换会被阻止。*/

        while (isHeld)
            waitQueue.sleep();
        isHeld = true;

        RestoreInterrupts()
    }

    release() {
        DisableInterrupts()

        isHeld = false;
        waitQueue.wake();

        RestoreInterrupts()
    }
}

//条件变量时管理员，拥有对锁的管理权，所以要将锁传递给它。同时拥有
队列管理阻塞线程。
Condition(lock) {
    var lock: Lock;
    var waitQueue: ThreadQueue;

    wait() {
        DisableInterrupts()

        lock.release()
        waitQueue.sleep() //通过条件变量阻塞
        lock.acquire()

        RestoreInterrupts()
    }

    signal() {
        DisableInterrupts()

        waitQueue.wake();

        RestoreInterrupts()
    }

    broadcast() {
        DisableInterrupts()

        waitQueue.wake-all();

        RestoreInterrupts()
    }
}

源码参考：https://people.eecs.berkeley.edu/~kubitron/courses/cs162-F06/hand-outs/synch.html