线程同步3：条件变量

条件变量

条件变量是另一种同步机制，条件变量给了多个线程提供一个会合的场所，条件变量与互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：
【1】一个线程等待"某条件成立"而挂起。
【2】另一个线程使"某条件成立"（给出条件成立信号）。

条件本身是由互斥量保护，线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为互斥量必须在锁定以后才能计算条件。

初始化与销毁

#include 

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, 
                      const pthread_condattr_t *restrict attr)
    函数返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)  
    函数返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

条件变量由 pthread_cond_t 数据类型表示，可以用2种方式初始化：可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量。但是如果条件变量是动态分配的，则需要使用pthread_cond_init 函数对它进行初始化。

只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。

阻塞

#include 

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, 
                      pthread_mutex_t *restrict mutex)
    函数返回值：成功返回0，否则，返回错误编号。

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
                           pthread_mutex_t *restrict mutex, 
                           const struct timespec *restrict tsptr);
    函数返回值：成功返回0，否则，返回错误编号。

pthread_cond_wait函数 和 pthread_cond_timedwait函数 用于阻塞当前线程，等待别的线程使用pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 来唤醒它。

传递给pthread_cond_wait的互斥量对条件进行保护，调用者把锁住的互斥量传递给函数，然后自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，再对互斥量解锁。这就关闭了条件检查 和 线程进入休眠状态等待条件改变
这两个操作之间的时间通道，这样线程就不会错过条件的任何变化。pthread_cond_wait返回时，互斥量再次被锁住。

pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 相比只是多了一个超时，如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT结束等待。注意这个超时是一个绝对值，而不是相对值。假设需要等待3分钟，那么要把当前时间加上3分钟再转换成timespec结构：

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait

唤醒

#include 

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond)
    函数返回值：成功返回0，否则，返回错误编号

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond)
    函数返回值：成功返回0，否则，返回错误编号

2个函数用于通知被阻塞的线程"条件"已经满足：
pthread_cond_signal函数的作用是发送一个信号给另外一个正在处于阻塞状态的线程，使其脱离阻塞状态，继续执行，如果没有线程处在阻塞等待状态，pthread_cond_signal也会成功返回。
pthread_cond_broadcast函数能唤醒等待该条件的所有线程。

broadcast通常用于表名状态变化，signal通常用于资源可用。

惯用法

// 线程A，条件测试
pthread_mutex_lock(&mtx);
while(pass == 0) {
     pthread_cond_wait(&cond, &mtx);   
}
pthread_mutex_unlock(&mtx);

// 线程B，条件发生修改，对应的singnal代码
pthread_mutex_lock(&mtx);
pass = 1;
pthread_mutex_unlock(&mtx);
pthread_cond_signal(&cond);

pthread_cond_wait 必须放在 pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock之间。因为它要根据共享变量的状态来决定是否要等待， 而为了不永远等待下去所以必须在lock和unlock中间。

虚假唤醒

• wait (消费者)

lock(mutex)
while(queue.empty())
    cond.wait();
x = queue.pop();
unlock(mutex);

• signal/broadcast(生产者)

lock(mutex)
queue.push_back(x);
unlock(mutex)
cond.notify();

在多核处理器下，pthread_cond_signal可能会激活多于一个线程（阻塞在条件变量上的线程）。结果就是，当一个线程调用pthread_cond_signal后，多个调用pthread_cond_wait或pthread_cond_timedwait的线程返回。这种效应就称为“虚假唤醒”。
如果用 if 判断，多个等待线程在满足 if 条件时都会被唤醒(虚假的)，但实际上条件并不满足，生产者生产出来的消费品已经被第一个线程消费了。
这就是我们使用 while 去做判断而不是使用 if 的原因：因为等待在条件变量上的线程被唤醒有可能不是因为条件满足而是由于虚假唤醒。所以，我们需要对条件变量的状态进行不断检查直到其满足条件，不仅要在pthread_cond_wait前检查条件是否成立，在 pthread_cond_wait 之后也要检查。

参考资料
[1]《UNIX环境高级编程》[美] W. Richard Stevens Stephen A. Rago
[2] http://blog.csdn.net/leeds1993/article/details/52738845
[3] https://www.zhihu.com/question/24116967