1. condition_variable介绍

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。

其主要成员函数如下

Image

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：

  • 一个线程因等待"条件变量的条件成立"而挂起；

  • 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。

为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起；通常情况下这个锁是std::mutex，并且管理这个锁只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板类。

上面提到的两个步骤，分别是使用以下两个方法实现：

  • 等待条件成立使用的是condition_variable类成员wait，wait_for 或 wait_until。

  • 给出信号使用的是condition_variable类成员notify_one或者notify_all函数。

2. 使用说明

在条件变量中只能使用std::unique_lock<std::mutex>说明

unique_lock和lock_guard都是管理锁的辅助类工具，都是RAII风格；它们是在定义时获得锁，在析构时释放锁。它们的主要区别在于unique_lock锁机制更加灵活，可以再需要的时候进行lock或者unlock调用，不非得是析构或者构造时。它们的区别可以通过成员函数就可以一目了然。在这里插入图片描述

2.1. wait/wait_for

线程的阻塞是通过成员函数wait()/wait_for()/wait_until()函数实现的。这里主要说明前面两个函数：

2.1.1. wait()成员函数

函数声明如下：

void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock);
//Predicate 谓词函数，可以普通函数或者lambda表达式
template<class Predicate>
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred);

wait 导致当前线程阻塞直至条件变量被通知，或虚假唤醒发生，可选地循环直至满足某谓词。

2.1.2. wait_for()成员函数

函数声明如下：

template<class Rep, class Period>
std::cv_status wait_for(std::unique_lock<std::mutex>& lock,
                        const std::chrono::duration<Rep, Period>& rel_time);

template<class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for(std::unique_lock<std::mutex>& lock,
              const std::chrono::duration<Rep, Period>& rel_time,
              Predicate pred);

wait_for 导致当前线程阻塞直至条件变量被通知，或虚假唤醒发生，或者超时返回。

返回值说明：

  • 若经过 rel_time 所指定的关联时限则为 std::cv_status::timeout ，否则为 std::cv_status::no_timeout 。
  • 若经过 rel_time 时限后谓词 pred 仍求值为 false 则为 false，否则为 true 。

以上两个类型的wait函数都在会阻塞时，自动释放锁权限，即调用unique_lock的成员函数unlock()，以便其他线程能有机会获得锁。这就是条件变量只能和unique_lock一起使用的原因，否则当前线程一直占有锁，线程被阻塞。

2.2. notify_all/notify_one

notify函数声明如下：

void notify_one() noexcept;

若任何线程在 *this 上等待，则调用 notify_one 会解阻塞(唤醒)等待线程之一。

void notify_all() noexcept;

若任何线程在 *this 上等待，则解阻塞（唤醒)全部等待线程。

2.3. 虚假唤醒

在正常情况下，wait类型函数返回时要么是因为被唤醒，要么是因为超时才返回，但是在实际中发现，因此操作系统的原因，wait类型在不满足条件时，它也会返回，这就导致了虚假唤醒。因此，我们一般都是使用带有谓词参数的wait函数，因为这种(xxx, Predicate pred )类型的函数等价于：

while (!pred()) //while循环，解决了虚假唤醒的问题
{
    wait(lock);
}

原因说明如下：

假设系统不存在虚假唤醒的时，代码形式如下：

if (不满足xxx条件) {
    //没有虚假唤醒，wait函数可以一直等待，直到被唤醒或者超时，没有问题。
    //但实际中却存在虚假唤醒，导致假设不成立，wait不会继续等待，跳出if语句，
    //提前执行其他代码，流程异常
    wait();  
}

//其他代码
...

正确的使用方式，使用while语句解决：

while (!(xxx条件) )
{
    //虚假唤醒发生，由于while循环，再次检查条件是否满足，
    //否则继续等待，解决虚假唤醒
    wait();  
}
//其他代码
....

3. 使用示例

3.1. 生产者消费者问题

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，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。

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

class PCModle {
 public:
  PCModle() : work_(true), max_num(30), next_index(0) {
  }

  void producer_thread() {
    while (work_) {
      std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));

      //加锁
      std::unique_lock<std::mutex> lk(cvMutex);
      //当队列未满时，继续添加数据
      cv.wait(lk, [this]() { return this->data_deque.size() <= this->max_num; });

      next_index++;
      data_deque.push_back(next_index);
      std::cout << "producer " << next_index << ", queue size: " << data_deque.size() << std::endl;
      //唤醒其他线程
      cv.notify_all();
      //自动释放锁
    }
  }

  void consumer_thread() {
    while (work_) {
      //加锁
      std::unique_lock<std::mutex> lk(cvMutex);
      //检测条件是否达成
      cv.wait(lk, [this] { return !this->data_deque.empty(); });

      //互斥操作，消息数据
      int data = data_deque.front();
      data_deque.pop_front();
      std::cout << "consumer " << data << ", deque size: " << data_deque.size() << std::endl;
      //唤醒其他线程
      cv.notify_all();
      //自动释放锁
    }
  }
  
 private:
  bool work_;

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

  //缓存区
  std::deque<int> data_deque;
  //缓存区最大数目
  size_t max_num;
  //数据
  int next_index;
};

int main() {
  PCModle obj;

  std::thread ProducerThread = std::thread(&PCModle::producer_thread, &obj);
  std::thread ConsumerThread = std::thread(&PCModle::consumer_thread, &obj);

  ProducerThread.join();
  ConsumerThread.join();

  return 0;
}

运行结果：

Image

3.2. 多线程抢占

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
void print_id (int id) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);// 首先执行到这一句的第一个线程会lck.lock(), 其他线程则会卡在这一句；
  cv.wait(lck);
  /*
  这个函数比较有意思，当执行到这一行的时候，他会lck.unlock(), 然后条件变量接替开始阻塞，这样第二个线程就会
  执行上一句lck初始化，然后所有线程都会走一遍lck.lock()->lck.unlock()->阻塞，然后所有线程都停留在这个位置，
  等待通知，最先得到通知的线程会调用lck.lock()(至于谁先得到通知线程去竞争了)，这样就保证下面这句命令操作的原子性
 */
  std::cout << "thread " << id << '\n';
}//类似于只能指针，lck自动unlock

void go() {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  cv.notify_all();
}

int main() {
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_id,i);
  std::cout << "10 threads ready to race...\n";
  go()；//主线程lck.lock()->通知所有wait->                      
  for (auto& th : threads) {
     th.join();
  }
  return 0;
}

3.3. 虚假唤醒

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id (int id) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  while (!ready) cv.wait(lck);
  std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go() {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  ready = true;
  cv.notify_all();
}

参考文献

C++条件变量_feng__shuai的博客-CSDN博客_c++条件变量

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