C++条件变量condition

C++条件变量condition_variable

news2024/9/21 10:33:50

一、问题

假设没有条件变量，对于一个生产者消费者问题，消费线程在得知队列中没有产品时，将阻塞自己。生产者线程可以给队列中放入产品，但是没有办法激活消费者线程，而消费者线程处于阻塞状态也没有办法自己激活自己。如果消费者线程使用忙等的方式，通过不断地查询来判断是否有产品，将大量的浪费CPU时间。消费者线程也可以使用睡眠+查询的方式，即发现队列中没有产品时，sleep一段时间，然后再查询。问题是睡眠多长时间？时间太长，实时性不好，时间太短，还是浪费CPU时间。

二、介绍

针对类似的场景，我们推荐您用条件变量来实现，头文件<condition_variable>。和互斥锁、信号量类似，条件变量本质也是一个全局变量，用于多线程之间关于共享数据状态变化的通信。当一个动作需要另外一个动作完成时才能进行，即：当一个线程的行为依赖于另外一个线程对共享数据状态的改变时，这时候就可以使用条件变量。

一个条件变量可以阻塞多个线程，这些线程会组成一个等待队列。当条件成立时，条件变量可以解除线程的“被阻塞状态”。也就是说，条件变量可以完成以下两项操作：

1、阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号；
2、向等待队列中的一个或所有线程发送“条件成立”的信号，解除它们的“被阻塞”状态。

为了避免多线程之间发生“抢夺资源”的问题，条件变量在使用过程中必须和一个互斥锁搭配使用。

三、`notify_one()`与`notify_all()`

notify_one()与notify_all()常用来唤醒阻塞的线程。

notify_one()：因为只唤醒等待队列中的第一个线程；不存在锁争用，所以能够立即获得锁。其余的线程不会被唤醒，需要等待再次调用notify_one()或者notify_all()。

notify_all()：会唤醒所有等待队列中阻塞的线程，存在锁争用，只有一个线程能够获得锁。那其余未获取锁的线程会继续尝试获得锁(类似于轮询)，而不会再次阻塞。当持有锁的线程释放锁时，这些线程中的一个会获得锁。而其余的会接着尝试获得锁。

四、实例

条件变量通常有wait和notify两个动作，wait用于阻塞挂起线程A,直到另一个线程B通过notify唤醒线程A，唤醒后线程A会继续运行。这里使用消费者，生产者模型代码

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

std::mutex mut;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec{};

// 消费者
void Consumer()
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mut);
    while (vec.empty()) {
        cv.wait(lock); //等待线程
    }
    std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
}

//生产者
void Produce()
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    vec.push_back(1);
    cv.notify_all();// 唤醒线程
    std::cout << "produce \n";
}

int main()
{
    std::thread thread1(Consumer);
    thread1.detach(); // 主线程和子线程相互分离,互不干扰
    Produce();
    system("pause");
    return 0;
}