今天一次讲明白C++条件变量

news2024/12/23 6:06:42

在C++中，std::condition_variable 条件变量是一个同步原语，它允许一个或多个线程在某个条件成立时，被另一个线程唤醒。std::condition_variable 条件变量通常与互斥锁（std::mutex）一起使用，以保护共享数据和同步线程之间的通信。

条件变量的使用场景

条件变量主要用于以下场景：

等待/通知模型：一个或多个线程等待某个条件成立，另一个线程在条件成立时通知等待的线程。
生产者/消费者问题：生产者线程生产数据后通知消费者线程，消费者线程等待生产者生产数据。

条件变量的基本使用步骤

定义互斥锁和条件变量：首先，你需要定义一个互斥锁（例如std::mutex）和一个 std::condition_variable 条件变量。
锁定互斥锁：在调用 std::condition_variable 条件变量的 wait 或 wait_for 等函数之前，必须先锁定互斥锁。
调用条件变量的等待函数：调用 wait、wait_for 或 wait_until 等函数来等待条件成立。这些函数会释放互斥锁，使其他线程可以进入临界区，并在条件变量上等待。当其他线程调用 std::condition_variable 条件变量的 notify_one 或 notify_all 来唤醒等待的线程时，等待的线程会重新获取互斥锁并继续执行。
检查条件：在 wait、wait_for 或 wait_until 返回后，通常需要重新检查条件是否满足，因为可能存在虚假唤醒（spurious wakeup）的情况。
解锁互斥锁：在离开临界区时，需要解锁互斥锁。

使用示例

以下是一个简单的生产者/消费者问题的示例，展示了 std::condition_variable 条件变量的使用：

#include <iostream>  
#include <thread>  
#include <mutex>  
#include <condition_variable>  
#include <queue>  
  
std::mutex g_mtx;  
std::condition_variable g_cv;  
std::queue<int> g_queue;  
bool g_done = false;  
  
// 生产者函数
void producer(int id) {  
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {  
        std::unique_lock<std::mutex> lck(g_mtx);  
        g_queue.push(id * 10 + i);  
        std::cout << "Produced: " << id * 10 + i << std::endl;  
        lck.unlock();  
        g_cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程  
    }  
  
    {  
        std::lock_guard<std::mutex> lck(g_mtx);  
        g_done = true;  
    }  
    g_cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程  
}  
  
// 消费者函数
void consumer() {  
    std::unique_lock<std::mutex> lck(g_mtx);
    while (!g_done && g_queue.empty()) {  
        g_cv.wait(lck); // 等待条件成立  
    }  
  
    while (!g_queue.empty()) {  
        int val = g_queue.front();  
        g_queue.pop();  
        std::cout << "Consumed: " << val << std::endl;  
        lck.unlock();  
  
        // 模拟耗时操作，等待100毫秒  
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));  
  
        lck.lock();  
    }  
}  
  
int main() {  
    std::thread producers[2];      // 生产者线程池
    std::thread consumers[5];      // 消费者线程池
  
    // 创建生产者  
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {  
        producers[i] = std::thread(producer, i);  
    }  
  
    // 创建消费者  
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {  
        consumers[i] = std::thread(consumer);  
    }  
  
    // 等待生产者完成  
    for (auto& t : producers) {  
        t.join();  
    }  
  
    // 唤醒所有等待的消费者（尽管这里可能不是必需的，因为done标志已经设置）  
    g_cv.notify_all();  
  
    // 等待消费者完成  
    for (auto& t : consumers) {  
        t.join();  
    }  
  
    return 0;  
}

在这个例子中，生产者和消费者线程使用条件变量（g_cv）和互斥锁（g_mtx）来同步对共享队列（g_queue）的访问。生产者生产数据后，通过调用notify_one来唤醒一个等待的消费者线程。当所有生产者都完成生产后，它们将done标志设置为true，并通过调用`notify_all 来唤醒所有的消费者线程。

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