condition_variable

condition_variable#

条件变量（condition_variable）主要用于线程间同步。

条件变量是同步原语，能用于阻塞一个线程，或同时阻塞多个线程，直到另一个线程修改共享变量（条件），并通知条件变量。

有意修改变量的线程必须：

  • 获得 std::mutex（常通过 std::lock_guard）

  • 在保有锁时进行修改

  • 在 std::condition_variable 上执行 notify_one 或 notify_all（不需要为通知保有锁）

即使共享变量是原子的，也必须在互斥下修改它，以正确地发布修改到等待的线程。

任何有意在 std::condition_variable 上等待的线程必须：

  • 获得用于保护共享变量的 std::unique_lock<std::mutex>

  • 使用 wait、wait_for 及 wait_until 等待其他线程释放互斥锁

注意事项：

  • std::condition_variable 只可与 std::unique_lock<std::mutex> 一同使用；此限制在一些平台上允许最大效率。

  • std::condition_variable_any 提供可与任何基础可锁对象，例如 std::shared_lock 一同使用的条件变量。

  • condition_variable 允许 wait、wait_for、wait_until、notify_one 及 notify_all 被同时调用。

#include <chrono>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <string>
#include <thread>

std::mutex m;
std::condition_variable cv; // 条件变量
std::string data;           // 共享变量

bool ready     = false;
bool processed = false;

// >>>> step 2
void worker_thread() // 这个函数什么时候才会被执行？
{
    // 等待直至 main() 发送数据
    std::cout << "Worker: before unique_lock\n";
    std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
    cv.wait(lk, [] {
        return ready;
    }); // ready == true 后继续执行

    // 等待后，我们占有锁
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data      += " after processing";

    // 发送数据回 main()
    processed  = true;
    std::cout << "Worker thread signals data processing compeleted\n";

    // 通知前完成手动解锁，以避免等待线程才被唤醒就阻塞（细节见 notify_one）
    lk.unlock();

    // 发送通知
    cv.notify_one();
}

int main() {
    // 创建 worker 线程，该线程运行的代码为 worker_thread
    std::thread worker(worker_thread);

    // 睡眠可以保证子线程先运行，否则主线程将先执行
    std::chrono::milliseconds dura(500);
    std::this_thread::sleep_for(dura);

    // >>>> step 1
    data = "Example data";
    // 发送数据到 worker 线程
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m); // lock_guard 离开作用域后自动解锁
        ready = true;
        std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
    }
    cv.notify_one();

    // >>>> step 3
    // 等候 worker
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, [] {
            return processed;
        });
    }
    std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';

    worker.join(); // 等待子线程 worker 退出
}

// 运行： g++ main.cpp -std=c++11 -pthread

为什么条件变量要配合 mutex#

条件变量本身并不保存条件状态，本质上只是一种通讯机制：当有线程在等待（wait）某一条件变量时，线程会被挂起，直到另外的线程调用 notify_one/notify_all 解除其阻塞。

由于要用额外的共享变量保存条件状态（这个变量可以是任何类型比如 bool），这个变量会被不同的线程同时访问，因此需要 mutex 保护它。条件变量总是结合 mutex 使用：条件变量就共享变量的状态改变发出通知，mutex 用来保护这个共享变量。

POSIX 线程版本的接口（pthread_cond_wait 等）及生产者-消费者示例请参见 multithreading。

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