C++ std::condition_variable 是什么 有什么用 条件变量 线程同步

Posted 2022-01-06 软件工程小施同学

一、总述

在C++11中，我们可以使用条件变量（condition_variable）实现多个线程间的同步操作；

当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，

直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。

主要成员函数如下：

二、具体函数：

 1、wait函数：

（1）wait（unique_lock <mutex>＆lck）

当前线程的执行会被阻塞，直到收到 notify 为止。

（2）wait（unique_lock <mutex>＆lck，Predicate pred）

当前线程仅在pred=false时阻塞；如果pred=true时，不阻塞。

wait（）可依次拆分为三个操作：释放互斥锁、等待在条件变量上、再次获取互斥锁

2、notify_one：

notify_one()：没有参数、没有返回值。

解除阻塞当前正在等待此条件的线程之一。如果超过一个，不会指定具体哪一线程。

如果没有线程在等待，则该函数不执行任何操作。

// condition_variable::notify_one
#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 produce,consume;

int cargo = 0;     // shared value by producers and consumers

void consumer () 
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  while (cargo==0) consume.wait(lck);
  std::cout << cargo << '\\n';
  cargo=0;
  produce.notify_one();


void producer (int id) 
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  while (cargo!=0) produce.wait(lck);
  cargo = id;
  consume.notify_one();


int main ()

  std::thread consumers[10],producers[10];
  // spawn 10 consumers and 10 producers:
  for (int i=0; i<10; ++i) 
    consumers[i] = std::thread(consumer);
    producers[i] = std::thread(producer,i+1);
  

  // join them back:
  for (int i=0; i<10; ++i) 
    producers[i].join();
    consumers[i].join();
  

  return 0;

三、分析

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，主要包括两个动作：

（1）、一个线程因等待“条件变量的条件成立”而挂起；

（2）、另外一个线程使“条件成立”，给出信号，从而唤醒被等待的线程。

1、有什么用：

当需要死循环判断某个条件成立与否时【true or false】，我们往往需要开一个线程死循环来判断，这样非常消耗CPU。

使用条件变量，可以让当前线程wait，释放CPU，如果条件改变时，我们再notify退出线程，再次进行判断。

2、其他解释

想要修改共享变量（即“条件”）的线程必须：
（1）. 获得一个std::mutex
（2）. 当持有锁的时候，执行修改动作
（3）. 对std::condition_variable执行notify_one或notify_all(当做notify动作时，不必持有锁)

即使共享变量是原子性的，它也必须在mutex的保护下被修改，这是为了能够将改动正确发布到正在等待的线程。

任意要等待std::condition_variable的线程必须：
（1）. 获取std::unique_lock<std::mutex>，这个mutex正是用来保护共享变量（即“条件”）的
（2）. 执行wait, wait_for或者wait_until. 这些等待动作原子性地释放mutex，并使得线程的执行暂停
（3）. 当获得条件变量的通知，或者超时，或者一个虚假的唤醒，那么线程就会被唤醒，并且获得mutex. 然后线程应该检查条件是否成立，如果是虚假唤醒，就继续等待。

【注： 所谓虚假唤醒，就是因为某种未知的罕见的原因，线程被从等待状态唤醒了，但其实共享变量（即条件）并未变为true。因此此时应继续等待】

std::deque<int> q;
std::mutex mu;
std::condition_variable cond;

void function_1() //生产者

    int count = 10;
    while (count > 0) 
    
        std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);
        q.push_front(count);
        locker.unlock();
        cond.notify_one();  // Notify one waiting thread, if there is one.
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        count--;
    


void function_2() //消费者

    int data = 0;
    while (data != 1) 
    
        std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);
        // while (q.empty())判断是否为错误的的notify
        while (q.empty())
            cond.wait(locker); // Unlock mu and wait to be notified
        data = q.back();
        q.pop_back();
        locker.unlock();
        std::cout << "t2 got a value from t1: " << data << std::endl;
    

int main() 

    std::thread t1(function_1);
    std::thread t2(function_2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;

核心：

①、在消费者里判断队列是否为空后，如果不为空则wait，等待生产者发送notify信号

②、在生产者那里，如果生产了任务，则发送notify信号，告诉消费者可以试图退出wait，判断队列是否为空，如果有任务则调度处理任务，如果还是空则说明此次notify是错误的，可能是其他地方发出来干扰的，生产者继续wait。

③、流程：

软件开启，生成消费者线程消费队列，应该是一个while循环，在循环里获取锁，再来一个while循环判断条件，如果条件不成立则wait，wait会自动释放锁；

此时消费者已经没有锁了，在生产者线程里，获取锁，然后往里面加任务，退出作用域释放锁，然后notify告知消费者退出wait，消费者重新获取锁，然后从队列里取任务；

整个过程，生产者加任务时生产者持有锁，消费者取任务时消费者持有锁。

资料：

C++线程互斥、同步 - 朱小勇 - 博客园

C++条件变量 - 朱小勇 - 博客园