C++多线程 条件等待和通知

std::condition_variable 是 C++11 引入的一个重要工具，用于多线程编程中的线程同步。它通常与 std::mutex 一起使用，帮助线程在特定条件满足时等待或唤醒。以下是一个简单的示例，展示了如何在 C++ 中使用 std::condition_variable：

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

std::mutex mtx; // 互斥量，用于保护共享数据
std::condition_variable cv; // 条件变量

bool data_ready = false; // 共享数据，表示数据是否准备就绪

void producer_function() {
    // 模拟生产数据的过程
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    
    // 通过互斥量锁定，修改共享数据
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_ready = true;
    }
    
    // 通知等待的消费者线程
    cv.notify_one();
}

void consumer_function() {
    // 等待数据准备就绪
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return data_ready; }); // 等待条件变量满足

    // 处理数据
    std::cout << "Consumer thread: Data is ready!\n";
}

int main() {
    // 创建生产者和消费者线程
    std::thread producer(producer_function);
    std::thread consumer(consumer_function);

    // 等待线程结束
    producer.join();
    consumer.join();

    return 0;
}

这个例子中，主线程创建了一个生产者线程和一个消费者线程。生产者线程在一秒钟后将 data_ready 设置为 true，然后通过 cv.notify_one() 通知消费者线程。消费者线程使用 cv.wait() 在 data_ready 变为 true 之前等待，并在条件满足后输出消息。

这种结构允许线程在需要等待某些条件满足时暂时挂起，而不是通过轮询来浪费处理器资源。

std::condition_variable 的 wait 函数内部并不是使用轮询来实现的。它的实现通常依赖于操作系统提供的原生线程同步机制，比如 POSIX 线程库中的条件变量。具体来说，std::condition_variable 的 wait 函数会在等待条件不满足时将当前线程置于休眠状态，并释放所关联的互斥量。当其他线程通过 notify_one() 或 notify_all() 发送信号时，等待的线程会被唤醒并重新获取互斥量，然后重新检查条件是否满足。

这种方式避免了线程轮询，因此可以显著减少不必要的 CPU 消耗，提高了多线程程序的效率和性能。

std::condition_variable::wait() 函数需要一个互斥量来保护条件变量的等待操作。std::unique_lock 可以在构造时将互斥量锁定，并在 wait() 函数内部自动释放锁，这符合条件变量等待操作的要求。