c++核心：小心条件变量的陷阱
原文：http://www.modernescpp.com/index.php/c-core-guidelines-be-aware-of-the-traps-of-condition-variables
条件变量支持一个很简单的功能，一个线程准备好数据，然后向另外一个线程发送通知，通知另一个线程处理这些数据．为什么有可能会很危险呢？
不要无条件等待
有这样的一个规则：一个没有条件（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）的等待有可能错失线程唤醒，或者线程唤醒后没有工作可做．这句话是什么意思呢？条件变量有可能存在两个问题：丢失线程唤醒和虚假唤醒(spurious wakeup)，条件变量的一个问题就是他们不占内存．
首先我们先来看这样一段程序：
// conditionVariables.cpp
#include
#include
#include
std::mutex mutex_;
std::condition_variable condVar;
bool dataReady{false};
void waitingForWork(){
std::cout << "Waiting " << std::endl;
std::unique_lock lck(mutex_);
condVar.wait(lck, []{ return dataReady; }); // (4)
std::cout << "Running " << std::endl;
}
void setDataReady(){
{
std::lock_guard lck(mutex_);
dataReady = true;
}
std::cout << "Data prepared" << std::endl;
condVar.notify_one(); // (3)
}
int main(){
std::cout << std::endl;
std::thread t1(waitingForWork); // (1)
std::thread t2(setDataReady); // (2)
t1.join();
t2.join();
std::cout << std::endl;
} 这段程序是如何实现线程间同步的呢？程序有两个线程t1,t2，分别执行waitingForWork和setDataRead．
setDataReady进行通知：使用条件变量condVar，通过condVar.notify()(line 3)进行通知．线程t1拿到锁之后，等待通知condVar.wait(lck, []{ return dataReady; })( line 4)．发送者和接受者都需要一个锁，对于发送者来说，使用lock_guard就足够了，因为发送方只需要lock和unlock一次．对于接收者来说，需要使用unique_lock，因为接受者需要经常进行lock和unlock操作．
也许你会奇怪，wati方法为什么需要一个predicate？因为从理论上分析wait方法不需要predicate也可以实现这个功能．下面我们再看一下线程的唤醒丢失和虚假唤醒
线程唤醒丢失和虚假唤醒
唤醒丢失：这个现象是指发送方在接受方进入wait之前就发送了通知，结果就是发送方发送的这个通知丢失，ｃ＋＋标准中把条件变量描述成一个同时的同步机制(simultaneous synchronisation mechanism)：条件变量是一种原始的同步机制，可以同时阻塞一个或多个线程．如果不使用predicate,当发送方的通知丢失的时候，接收方会永远等待下去.
虚假唤醒：在接收方未收到通知的时候，接收方线程也有可能会唤醒．
由于存在这两个问题，你必须使用额外的predicate．如果你不相信，我们再看一下条件变量wait方法的工作流程：
wait工作流程
在调用ｗａｉｔ之前，线程需要拿到锁并加锁．
执行ｗａｉｔ，进程首先判断predicate，如果predicate为true，线程继续运行．如果predicate为false，线程unlock锁，进入等待（阻塞）状态．
如果条件变量处于等待状态的时候收到了通知或虚假唤醒，线程会执行一下步骤：
线程解除阻塞，重新ｌｏｃｋ住锁，判断predicate，如果predicate为ｔｒｕｅ，线程继续工作，如果为false，则unlock锁，线程重新进入等待阻塞态．
没有predicate
如果没有predicate，会发生什么呢？
// conditionVariableWithoutPredicate.cpp
#include
#include
#include
std::mutex mutex_;
std::condition_variable condVar;
void waitingForWork(){
std::cout << "Waiting " << std::endl;
std::unique_lock lck(mutex_);
condVar.wait(lck); // (1)
std::cout << "Running " << std::endl;
}
void setDataReady(){
std::cout << "Data prepared" << std::endl;
condVar.notify_one(); // (2)
}
int main(){
std::cout << std::endl;
std::thread t1(waitingForWork);
std::thread t2(setDataReady);
t1.join();
t2.join();
std::cout << std::endl;
} 现在，对于wait的调用不再使用predicate，这种同步机制看起来很简单．但是不幸的是，这个程序会存在一个 race condition，会引发死锁．
发送方在line(1)发送通知，发送方在接受方wait之前就发送了通知，接收方就永久阻塞了．
原子操作的predicate
也许你已经注意到了，dataReady变量只是一个布尔变量，我们可不可以把它变成一个原子的布尔变量，这样就可以不加锁了呢？
// conditionVariableAtomic.cpp
#include
#include
#include
#include
std::mutex mutex_;
std::condition_variable condVar;
std::atomic dataReady{false};
void waitingForWork(){
std::cout << "Waiting " << std::endl;
std::unique_lock lck(mutex_);
condVar.wait(lck, []{ return dataReady.load(); }); // (1)
std::cout << "Running " << std::endl;
}
void setDataReady(){
dataReady = true;
std::cout << "Data prepared" << std::endl;
condVar.notify_one();
}
int main(){
std::cout << std::endl;
std::thread t1(waitingForWork);
std::thread t2(setDataReady);
t1.join();
t2.join();
std::cout << std::endl;
} 这个程序很直观，但是这个程序，线程间依然有race condition并且会导致死锁．因为wait操作比看起来的还要复杂一些．wait操作等价于：
std::unique_lock lck(mutex_);
while ( ![]{ return dataReady.load(); }() {
// time window (1)
condVar.wait(lck);
} 即使你把dataReady设置成原子变量，但是也必须加锁操作，如果不加锁的话可能无法实现线程同步．我们假设所有变量的操作是原子的并且没有锁保护．
我们假设接收方在执行wait但是线程没有阻塞，即接收方执行line 1的代码段，这样的话发送方发送的通知就丢失了，接下来接受方会永久进入阻塞状态．但是如果加锁进行保护的话，这种情况就不会再发生，当加锁保护的时候，只有接收方处于等待态的时候，发送方才能发送通知．
这是不是一个鬼故事？那么有没有其他的可能来简化我们的程序呢？有的，但不是使用条件变量，你可以使用一对promise和future(a promise and future pair the make the job done).