再谈条件变量—从入门到出家

Posted 2022-02-20 C语言与CPP编程

再谈条件变量—从入门到出家

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C语言--条件变量

条件变量是在线程中以睡眠的方式等待某一条件的发生；

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制：

• 一个线程等待"条件变量的条件成立"挂起

• 另一个线程使"条件成立"

条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起；

**作用：**使用条件变量可以以原子方式阻塞线程，直到某个特定条件为真为止

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我们一般使用的函数是：

#include <semaphore.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr) ;
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

案例一

代码：

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

pthread_t t1;
pthread_t t2;

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

int i=0;

void* Process1(void* arg)

    while(1)
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        i++;
        if(i%5 == 0)
        
            pthread_cond_signal(&cond);
        
        else
        
            printf("this is Process1\\n");
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(2);
    



void* Process2(void* arg)

    while(1)
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        printf("this is Process2,i=%d\\n",i);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(2);
    


int main()

    pthread_cond_init(&cond,NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_create(&t1,NULL,Process1,NULL);
    pthread_create(&t2,NULL,Process2,NULL);
    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    return 0;

结果：

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/C++/C++_test/Progress/cond# ./test1 
this is Process1
this is Process1
this is Process1
this is Process1
this is Process2,i=5
this is Process1
this is Process1
this is Process1
this is Process1
this is Process2,i=10
this is Process1
this is Process1
^C

通过条件变量来控制线程的输出；

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上述是在C语言中使用条件变量对线程进行一个控制，在C++中，在标准库中也提供了同样的机制，使用起来会比C语言的更加方便，但是原理还是一样的；

C++ 条件变量

C++标准库在< condition_variable >中

原则与C语言中类似

• 包含< mutex >和< condition_variable >，声明一个mutex和一个condition_variable变量

• 通知“条件已满足”的线程必须调用notify_one()或notify_all()，条件满足时唤醒处于等待中的一个条件变量；

• 等待"条件被满足"的线程必须调用wait()，可以让线程在条件未被满足时陷入休眠状态，当接收到通知时被唤醒去处理相应的任务；

C++ 使用案例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <unistd.h>

using namespace std;

//全局条件变量
condition_variable cond;
mutex _mutex;
int count = 0;

void fun1()

    while(1)
    
        count++;
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        if(count%5 == 0)
        
            cond.notify_one();
        
        else
        
            cout<<"this is fun1,count="<<count<<endl;
        
        lock.unlock();
        sleep(1);
    


void fun2()

    while(1)
    
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        cond.wait(lock);
        cout<<"this is fun2,count="<<count<<endl;
        lock.unlock();
        sleep(2);
    


int main()

    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;

结果：

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/C++/C++_test/Progress/cond# g++ -std=c++11 test2.cpp -o test2 -lpthread
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/C++/C++_test/Progress/cond# ./test2
this is fun1,count=1
this is fun1,count=2
this is fun1,count=3
this is fun1,count=4
this is fun2,count=5
this is fun1,count=6
this is fun1,count=7
this is fun1,count=8
^C

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到这里，基本回顾了C和C++中条件变量的用法，但是在实际应用中。又有设么用呢？

可能工作年限多的人，接触到的比较多，但是对于很多小白来说，或者刚毕业、刚参加工作的人来说，这点接触的就不是很多了，。这里来举一个例子说一下：

假如在某个项目中，需要用到的是多个线程，最简单的就是，用队列的时候，我们一边写一边读，总是要加锁的，但是，我们的线程就必须一直空转对队列进行检测是否有数据，但是这样往往会造成CPU使用率比较高，资源的浪费，这种情况下，我们就可以是使用条件变量，控制线程的循环，降低资源使用率；当然，也有很多场景值得去探索，也有很多技术可以解决这这个问题，希望大家一起探索前进；

问题思考

上面介绍了C和C++中的使用，但是其实还是有些疑问的

疑问：为什么pthread_cond_wait前加了锁，但是pthread_cond_signal还可以加锁？

首先看下我从网上找的一张图：

从这个图片中，我们发现了一个现象，pthread_cond_wait函数内存进行对锁的解锁，并且阻塞休眠操作，阻塞完成后，再次进行了加锁操作；也就是在pthread_cond_wait阻塞期间，pthread_cond_signal可以进行加锁和解锁操作，这里是不冲突的；