【一分钟学C++】条件变量

最新推荐文章于 2025-02-11 23:24:21 发布

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竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生~
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文章目录

基本用法
- 核心接口
- 示例代码
值得讨论的几个问题

基本用法

条件变量作为生产中者消费者模型中的典型临界区控制方案，在写代码过程中还是经常会使用到的，涉及到多线程总是会有很多坑，这里总结下 C++ 中条件变量 std::condition_variable。cppreference 给出的官方解释：

A condition variable is an object able to block the calling thread until notified to resume. It uses a unique_lock (over a mutex) to lock the thread when one of its wait functions is called. The thread remains blocked until woken up by another thread that calls a notification function on the same condition_variable object.

大概是说：条件变量是一个能够阻塞调用线程，直到被通知恢复的对象。它使用 unique_lock（基于 mutex）来锁定线程，当调用它的等待函数时，线程会被阻塞。线程会一直处于阻塞状态，直到另一个线程调用同一条件变量对象上的通知函数，将其唤醒。

核心接口

wait：等待直到被唤醒，会阻塞当前线程直到被唤醒。
wait_for：等待直到超时或者被唤醒。
wait_until：等待直到到达某一时刻或者被唤醒。

示例代码

// condition_variable example
#include <iostream>           // std::cout
#include <thread>             // std::thread
#include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id (int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) cv.wait(lck);
    // ...
    std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all();
}

int main ()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for (int i=0; i<10; ++i)
        threads[i] = std::thread(print_id,i);

    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go();                       // go!

    for (auto& th : threads) th.join();

    return 0;
}

基本逻辑比较简单，主线程创建了十个子线程，用于执行 print_id 函数过程，print_id 中根据 ready 变量的状态决定是否等待，go 函数中改变 ready 状态并唤醒等待中的线程。

值得讨论的几个问题

notify_one 是不是一定只会唤醒一个阻塞线程？
顾名思义，很容易认为 notify_one 就是唤醒一个线程，但是查阅资料显示，并不一定保证只唤醒一个阻塞线程。

图中显示 pthread_cond_signal() 函数应当解锁至少一个在指定条件变量 cond 上被阻塞的线程（如果有线程在 cond 上被阻塞的话），也就是并不保证有且仅有一个线程被唤醒。具体可以参考：https://linux.die.net/man/3/pthread_cond_signal
虚假唤醒问题
虚假唤醒和唤醒丢失问题核心都在 while (!ready) cv.wait(lck); 这行代码上，虚假唤醒存在于这里的 while 替换成 if 的场景，当 wait 阻塞线程后，条件变量满足条件发出唤醒信号，如果不止一个阻塞线程被唤醒，那么可能造成虚假唤醒，如下面代码。

void Producer()
{
    std::this_thread::sleep_for(2000ms);
    std::cout << "Ready Send notification." << std::endl;
    mtx.lock();
    q.push("message");
    mtx.unlock();
    cv.notify_all();
 }

void Consumer()
{
    std::cout << "Wait for notification." << std::endl;
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    if(q.empty())
        cv.wait(lck);
    std::string msg = q.front();
    q.pop();
    mtx.unlock();
    std::cout << "Get: " << msg <<std::endl;
}

这里 while 被替换成了 if(q.empty())，当多个线程被同时唤醒，而消息队列里面只有一个消息，那么只有一个线程能处理这个消息，其余线程处理过程中，消息队列都为空，就出现了虚假唤醒，此时应该将 if 替换为 while，就不会导致其他线程错误进入处理状态，而是继续等待。

唤醒丢失问题
唤醒丢失问题是指没有 while 这一行判断的情况下，如果 wait 线程还没有走到 wait 逻辑，notify 就触发了，后续进行 wait 永远都不会收到 notify 信号，导致卡死。解决方法也比较简单，需要构造条件，当满足条件时才进行 wait 等待。例如上面例子中的 ready 变量就起到这个作用，即使 notify 先触发了，ready 也会被设置为 true，这样等待线程不会执行 wait 逻辑，也就不会卡死。
为什么条件变量一定要和锁绑定？
第一次加锁就是一个简单的临界区保护，条件变量需要传入一个 std::unique_lock 类型作为参数，是因为在 wait 执行后需要释放锁，让其它线程能进入临界区，比如 notify 线程。在 wait 结束后，需要再次尝试获取锁，如果没有这个过程，可能导致多个线程同时进入临界区，因为有多个线程可能被同时唤醒。

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