[多线程]C++11多线程-条件变量(std::condition_variable)

Posted 2022-11-29 ouyangshima

互斥量(std::mutex)是多线程间同时访问某一共享变量时，保证变量可被安全访问的手段。在多线程编程中，还有另一种十分常见的行为：线程同步。线程同步是指线程间需要按照预定的先后次序顺序进行的行为。C++11对这种行为也提供了有力的支持，这就是条件变量。条件变量位于头文件condition_variable。条件变量能阻塞一个或多个线程，直到收到另外一个线程发出的通知或者超时，才会唤醒当前阻塞的线程。条件变量需要和互斥量配合起来用。

• condition_variable，配合std::unique_lock < std::mutex>进行wait操作。
• condition_variable_any，和任意带有lock、unlock语义的mutex搭配使用，比较灵活，但效率比condition_variable差一些。

condition_variable是一个类，搭配互斥量mutex来用，这个类有它自己的一些函数，这里就主要讲wait函数和notify_*函数，故名思意，wait就是有一个等待的作用，notify就是有一个通知的作用。简而言之就是程序运行到wait函数的时候会先在此阻塞，然后自动unlock，那么其他线程在拿到锁以后就会往下运行，当运行到notify_one()函数的时候，就会唤醒wait函数，然后自动lock并继续下运行。

wait

wait是线程的等待动作，直到其它线程将其唤醒后，才会继续往下执行。

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;

// 条件变量与临界区有关，用来获取和释放一个锁，因此通常会和mutex联用。
std::unique_lock lock(mutex);
// 此处会释放lock，然后在cv上等待，直到其它线程通过cv.notify_xxx来唤醒当前线程，
// cv被唤醒后会再次对lock进行上锁，然后wait函数才会返回。
// wait返回后可以安全的使用mutex保护的临界区内的数据。此时mutex仍为上锁状态
cv.wait(lock)

需要注意的一点是, wait有时会在没有任何线程调用notify的情况下返回，这种情况就是有名的虚假唤醒。因此当wait返回时，你需要再次检查wait的前置条件是否满足，如果不满足则需要再次wait。wait提供了重载的版本，用于提供前置检查。

wait还有第二个参数，这个参数接收一个布尔类型的值，当这个布尔类型的值为false的时候线程就会被阻塞在这里，只有当该线程被唤醒之后，且第二参数为true才会往下运行。

template <typename Predicate>
void wait(unique_lock<mutex> &lock, Predicate pred) 
    while(!pred()) 
        wait(lock);
    

除wait外, 条件变量还提供了wait_for和wait_until，这两个名称是不是看着有点儿眼熟，std::mutex也提供了_for和_until操作。在C++11多线程编程中，需要等待一段时间的操作，一般情况下都会有xxx_for和xxx_until版本。前者用于等待指定时长，后者用于等待到指定的时间。

notify

了解了wait，notify就简单多了：唤醒wait在该条件变量上的线程。notify有两个版本：notify_one和notify_all。

• notify_one 唤醒等待的一个线程，注意只唤醒一个。
• notify_all 唤醒所有等待的线程。使用该函数时应避免出现惊群效应(多个线程等待一个唤醒的情况叫做惊群效应)。

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;

std::unique_lock lock(mutex);
// 所有等待在cv变量上的线程都会被唤醒。但直到lock释放了mutex，被唤醒的线程才会从wait返回。
cv.notify_all(lock)

notify_one()每次只能唤醒一个线程，那么notify_all()函数的作用就是可以唤醒所有的线程，但是最终能抢夺锁的只有一个线程，或者说有多个线程在wait，但是用notify_one()去唤醒其中一个线程，那么这些线程就出现了去争夺互斥量的一个情况，那么最终没有获得锁的控制权的线程就会再次回到阻塞的状态，那么对于这些没有抢到控制权的这个过程就叫做虚假唤醒。那么对于虚假唤醒的解决方法就是加一个while循环，比如下面这样：

while (que.size() == 0) 
    cr.wait(lck);

这个就是当线程被唤醒以后，先进行判断，是否可以去操作，如果可以再去运行下面的代码，否则继续在循环内执行wait函数。

条件变量使用

在这里，我们使用条件变量，解决生产者-消费者问题，该问题主要描述如下：
生产者-消费者问题，也称有限缓冲问题，是一个多进程/线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个进程/线程——即所谓的“生产者”和“消费者”,在实际运行时会发生的问题。
生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。
要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。

生产者-消费者代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <windows.h>
#include <condition_variable>

std::mutex g_cvMutex;// 全局互斥锁
std::condition_variable g_cv; // 全局条件变量

std::deque<int> g_data_deque;//缓冲区，全局消息队列
const int  MAX_NUM = 30;//缓存区最大数目
int g_next_index = 0;//数据

//生产者，消费者线程个数
const int PRODUCER_THREAD_NUM  = 3;
const int CONSUMER_THREAD_NUM = 3;

void producer_thread(int thread_id)

    while (true)
    
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
        std::unique_lock <std::mutex> lock(g_cvMutex);//加锁
        //当队列未满时，继续添加数据
        g_cv.wait(lock, []() return g_data_deque.size() <= MAX_NUM; );
        g_next_index++;
        g_data_deque.push_back(g_next_index);
        std::cout << "producer_thread: " << thread_id << " producer data: " << g_next_index;
        std::cout << " queue size: " << g_data_deque.size() << std::endl;

        // 通知前，手动解锁以防正在等待的线程被唤醒后又立即被阻塞。
        lock.unlock();
        g_cv.notify_all();//唤醒其他线程
    


void consumer_thread(int thread_id)

    while (true)
    
        
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(550));
            std::unique_lock<std::mutex> lock(g_cvMutex);//加锁
            g_cv.wait(lock, []  return !g_data_deque.empty(); );//检测条件是否达成

            //互斥操作，消息数据
            int data = g_data_deque.front();
            g_data_deque.pop_front();
            std::cout << "\\tconsumer_thread: " << thread_id << " consumer data: ";
            std::cout << data << " deque size: " << g_data_deque.size() << std::endl;

            // 这里用大括号括起来了 为了避免出现虚假唤醒的情况 所以先unlock 再去唤醒
        
        g_cv.notify_all(); //唤醒其他线程
    


int main()

    std::thread arrRroducerThread[PRODUCER_THREAD_NUM];
    std::thread arrConsumerThread[CONSUMER_THREAD_NUM];

    for (int i = 0; i < PRODUCER_THREAD_NUM; i++)
    
        arrRroducerThread[i] = std::thread(producer_thread, i);
    

    for (int i = 0; i < CONSUMER_THREAD_NUM; i++)
    
        arrConsumerThread[i] = std::thread(consumer_thread, i);
    

    for (int i = 0; i < PRODUCER_THREAD_NUM; i++)
    
        arrRroducerThread[i].join();
    

    for (int i = 0; i < CONSUMER_THREAD_NUM; i++)
    
        arrConsumerThread[i].join();
    
    return 0;

/*输出
producer_thread: 2 producer data: 1 queue size: 1
producer_thread: 0 producer data: 2 queue size: 2
producer_thread: 1 producer data: 3 queue size: 3
        consumer_thread: 0 consumer data: 1 deque size: 2
        consumer_thread: 1 consumer data: 2 deque size: 1
        consumer_thread: 2 consumer data: 3 deque size: 0
producer_thread: 2 producer data: 4 queue size: 1
...
*/