线程同步-条件变量

news2024/9/21 20:40:34

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引言
条件变量
- 初始化条件变量：pthread_cond_init
- 销毁条件变量：pthread_cond_destroy
- 条件等待：pthread_cond_wait
- 唤醒等待：pthread_cond_signal、pthread_cond_broadcast
- 认识条件变量
- 接口使用

引言

有一个非常好的VIP自习室，一次只允许一个人进来，每一个自习完成的同学归还钥匙后，不能立马申请，第二次申请必须排队，也就是说其他人也必须排队，这种去自习室自习有一定的顺序性，这称之为同步。

换言之，每一个线程在访问临界资源时，有一定的顺序性，这称之为线程的同步。这里的顺序性可以是严格的顺序性，也可以是宏观上的具有相对顺序性。

条件变量

一个条件变量是一个pthread_cond_t类型

初始化条件变量：pthread_cond_init

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict
attr);

cond：要初始化的条件变量
attr：NULL

销毁条件变量：pthread_cond_destroy

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

在调用 pthread_cond_destroy 之前，确保没有线程在等待这个条件变量

条件等待：pthread_cond_wait

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量

唤醒等待：pthread_cond_signal、pthread_cond_broadcast

唤醒一个线程：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

唤醒所有线程：

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

认识条件变量

有两个人分别是A和B，B往箱子中放苹果，A从箱子中拿苹果，A必须在B放完后拿苹果。箱子实际上是一个共享资源，苹果相当于数据，当B没有往共享资源中写数据时，A进行读取，那么读取的内容就是垃圾数据。A，B在进行操作的时候，必须保证箱子（共享资源）的安全，因此需要加锁pthread_mutex_lock ，完成之后进行解锁pthread_mutex_unlock。注定A，B需要互斥式的访问箱子（共享资源），这样才能保证B正在写的时候，A不会读取。A需要先检测箱子（共享资源）重是否有苹果（数据），当检测到没有苹果（数据），A需要解锁退出，然后A立马重新申请锁，再去检测，因此A可能在不断申请锁、解开锁。A如此频繁的申请锁，B可能抢不到锁。因此这种做法不合理：A、B互斥，如果B竞争能力弱的话，B抢不到锁，A只能频繁申请锁、解开锁。

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为了解决这个矛盾，在上述场景中，引入一个铃铛，当A检测到箱子（共享资源）中没有苹果（数据），A解开锁之后不要再去申请锁，而是去铃铛那里等待铃铛，B放完苹果后摇铃铛，听到铃铛响了，A再去申请锁。

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这里引入的铃铛就是条件变量，条件变量必须提供两个东西：

需要一个线程队列
需要有通知机制

此时又来一个C，也是来拿苹果，A和C就会形成竞争了，铃铛想起的时候，就会把A和C都唤醒，这就是pthread_cond_broadcast
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接口使用

#include<iostream>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

const int num=5;
pthread_mutex_t gmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t gcond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *Wait(void *args)
{
    std::string name=static_cast<const char*>(args);
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&gmutex);
        //条件等待
        pthread_cond_wait(&gcond,&gmutex);
        usleep(10000);
        std::cout<<"I am : "<<name<<std::endl;
        
        pthread_mutex_unlock(&gmutex);
        //usleep(100000);
    }
    
}

int main()
{
    pthread_t threads[num];
    for(int i=0;i<num;i++)
    {
        char *name=new char[1024];
        snprintf(name,1024,"thread-%d",i+1);
        pthread_create(threads+i,nullptr,Wait,(void *)name);
    }
    //唤醒线程
    while(true)
    {
        pthread_cond_signal(&gcond);   //一次唤醒一个线程
        //pthread_cond_broadcast(&gcond);   //一次唤醒多个线程
        std::cout<<"唤醒一个线程..."<<std::endl;
        sleep(2);
    }

    for(int i=0;i<num;i++)
    {
        pthread_join(threads[i],nullptr);
    }

    return 0;
}

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为什么pthread_cond_wait在加锁和解锁之间使用？

确保条件检查的原子性：在多线程环境中，条件变量通常与互斥锁一起使用来保护共享资源。线程在检查条件之前需要持有锁，以避免其他线程修改共享资源。调用 pthread_cond_wait 时，函数会释放锁以让其他线程可以修改共享资源，然后在条件满足后重新获取锁，这样可以保证在条件变量被触发后，线程能够再次安全地检查条件和访问共享资源。
避免竞争条件：如果 pthread_cond_wait 不释放锁，那么其他线程将无法获取这个锁并修改条件，这可能导致死锁或线程无法继续工作。通过在 pthread_cond_wait 内部释放和重新获取锁，确保了条件检查的完整性和线程的正确同步。

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