C++多线程std::condition_variable的使用，凭借条件变量等待条件成立

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xiaofengxing1/article/details/146601904

std::condition_variable 是 C++ 标准库 <condition_variable> 头文件中提供的一个用于线程间同步的工具，它允许线程在某个条件满足时被唤醒。通常与 std::mutex 或 std::unique_lock 配合使用，在多线程编程中非常有用，比如实现生产者 - 消费者模型等场景。下面将从基本概念、工作原理、常用方法、应用场景和示例代码等方面详细介绍 std::condition_variable。

基本概念

std::condition_variable 本质上是一个同步原语，它提供了一种机制，让线程可以阻塞自己，直到另一个线程通知它某个条件已经满足。当一个线程等待条件变量时，它会释放持有的互斥锁，进入阻塞状态；当其他线程通知条件变量时，等待的线程会被唤醒，并尝试重新获取互斥锁。

工作原理

等待操作：当一个线程调用 std::condition_variable 的 wait 方法时，它会自动释放当前持有的互斥锁，并进入阻塞状态。此时，其他线程可以获取该互斥锁并修改共享状态。
通知操作：当另一个线程修改了共享状态，并且满足了某个条件时，它可以调用 std::condition_variable 的 notify_one 或 notify_all 方法。notify_one 会唤醒一个等待在该条件变量上的线程，而 notify_all 会唤醒所有等待在该条件变量上的线程。
重新锁定：被唤醒的线程会尝试重新获取之前释放的互斥锁，一旦获取成功，它会继续执行后续的代码。

常用方法

wait 系列方法：
- void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock );：阻塞当前线程，直到收到通知。调用该方法时，线程会自动释放 lock 持有的互斥锁，并进入等待状态；当收到通知并重新获取互斥锁后，线程会继续执行。
- template< class Predicate > void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred );：阻塞当前线程，直到收到通知且 pred 条件为 true。该方法会在每次被唤醒时检查 pred 的返回值，如果为 false 则继续等待。
notify 系列方法：
- void notify_one();：唤醒一个等待在该条件变量上的线程。如果没有线程在等待，则该调用没有效果。
- void notify_all();：唤醒所有等待在该条件变量上的线程。

应用场景

生产者 - 消费者模型：生产者线程生产数据并放入缓冲区，消费者线程从缓冲区取出数据进行处理。当缓冲区为空时，消费者线程可以等待条件变量；当生产者线程放入数据后，通知消费者线程。
多线程任务同步：在某些场景下，一个线程需要等待其他线程完成特定任务后才能继续执行，此时可以使用条件变量进行同步。

示例代码（生产者 - 消费者模型）

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

std::queue<int> buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable notFull;
std::condition_variable notEmpty;
const int MAX_SIZE = 5;

// 生产者线程函数
void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        // 等待缓冲区不满
        notFull.wait(lock, [] { return buffer.size() < MAX_SIZE; });

        buffer.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;

        // 通知消费者缓冲区非空
        notEmpty.notify_one();
    }
}

// 消费者线程函数
void consumer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        // 等待缓冲区非空
        notEmpty.wait(lock, [] { return!buffer.empty(); });

        int value = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;

        // 通知生产者缓冲区不满
        notFull.notify_one();
    }
}

int main() {
    std::thread producerThread(producer);
    std::thread consumerThread(consumer);

    producerThread.join();
    consumerThread.join();

    return 0;
}

通过使用 std::condition_variable，实现了生产者和消费者线程之间的同步，确保了在缓冲区满时生产者线程等待，在缓冲区空时消费者线程等待。