86- 条件变量 condition

本文承接上文而来，主要是为了解决上一文中轮询所带来的 CPU 浪费问题。这里我们再把原问题复述一遍：

学生线程写作业，老师线程检查作业。要求：只有学生线程写完作业了，老师线程才能检查作业。

1. 条件变量

pthread 线程库为线程同步提供一了种机制——条件变量。它允许线程在睡眠的情况下等待特定的条件发生，从而被唤醒。

根据条件变量的这种特性，我们可以应用它来改写上一篇文章中的代码。

2. 条件变量的数据类型和相关函数

条件变量的数据类型是 pthread_cond_t.

• 初始化
  
  • 通过常量 PTHREAD_COND_INITIALIZER 对其进行静态初始化
  • 通过下面的函数进行初始化和回收：

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

• 等待条件发生的函数

// 阻塞版本
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

// 超时版本
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,
  pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *tsptr);

这里我们只关心阻塞版本的函数。可以看到有两个参数，第一个参数我们可以理解，但是第二个参数为什么会有个互斥量呢？

(1) 先来说 wait 函数的语义

wait 函数表示将本线程加入等待队列，同时将传入的 mutex 变量解锁，这两步是一个“原子操作”（加双引号后面解释）。所有进入等待队列的线程都在等待条件变量 cond 条件成立。所谓 cond 条件成立，指的是有其它线程通过函数 pthread_cond_signal 将等待队列中的某一个线程唤醒，或者使用 pthread_cond_broadcast 函数将等待队列中所有的线程唤醒。一旦等待队列中的线程被唤醒，会再次对传入的 mutex 变量加锁！

(2) 为什么需要传入互斥量

如果把 pthread_cond_wait 函数分解成三步：

// 线程 A 中
pthread_mutex_unlock(&lock); // a1
pthread_cond_wait(&cond); // a2
pthread_mutex_lock(&lock); // a3

• 假设上面的语句 a1 在执行完成后，线程被调度，此时线程 B 就能进入临界区（锁已经被释放）去执行代码，导致了线程 A 在执行语句 a2 前条件提前发生（图 1），线程 B 于是提前 pthread_cond_signal 去唤醒一个空的等待队列。接下来，线程 A 恢复执行语句 a2，导致永久等待。

图1 未加锁时对条件变量的访问导致线程 A 永远等待下去

• 有人说，不释放锁行不行？答曰：不行，条件（如前一篇文章实验里的 finished 变量）是共享资源，必然是被互斥量保护，如果不释放锁，直接执行 a2 线程 A 进入等待，另一方面学生线程永远无法进入临界区改变 finished 变量，死锁。

所以解决此方案的办法就是 a1 和 a2 必须保证是“原子”的，即一次执行完。注意这里的原子只是加了引号的，实际实现上，是没办法做到的，为什么？你想这样做吗？

ACQUIRE(&mylock); //a0
pthread_mutex_unlock(&lock); // a1
pthread_cond_wait(&cond); // a2
RELEASE(&mylock); //a3

那么上面语句 a2 完成后，a3 的锁由谁来释放？只不过在实际的实现中，a1 和 a2 的执行看起来像是“原子的”，这里的原子是说（有点拗口，反复读几遍）：

如果线程 A 在释放锁后（语句 a1)，执行语句 a2 时即将要阻塞的时候，线程 B 此时调用了 pthread_cond_signal 或者 pthread_cond_broadcast，就好像在那个即将要被阻塞的线程 A 已经阻塞过一样。

这里面的原理很复杂，我们在下一篇《深入条件变量》讨论，实际使用 pthread_cond_wait 函数的时候，大家就认为是原子的吧。知乎上有关于条件变量的讨论传送门，也请大家仔细甄别，有些回答不一定对，所以最好还是先看下一篇，再去看看知乎上的.

• 唤醒函数

// 唤醒等待队列中的一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

// 唤醒等待队列中的所有线程，并重新参与调度
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

3. 使用条件变量改写实验

3.1 程序清单

#include 
#include 

int finished = 0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* do_homework(void* arg) {
  // doing homework
  sleep(5);
  pthread_mutex_lock(&lock);
  finished = 1;
  pthread_mutex_unlock(&lock);
  // 唤醒队列中的一个线程（如果有线程的话）
  pthread_cond_signal(&cond);
  printf("发送条件信号--------------\n");
}

void* check_homework(void* arg) {
  // 打电话
  sleep(1);
  // 电话接通
  pthread_mutex_lock(&lock);
  // 作业写完了吗？
  printf("老师：作业写完了吗？!\n");
  while(finished == 0) {
    // 没写完呐！
    printf("学生：没写完呐!\n");
    // 好的，你接着写
    printf("老师：好的，你接着写吧!\n");
    printf("-------------------------\n");
    // 因为此时加了锁，所以 finished 变量不可能产生变化。
    // 将线程加入等待队列，线程让出 cpu，同时将 mutex 解锁。
    pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    printf("老师：作业写完了吗？!\n");
  }
  printf("学生：写完啦!\n");
  pthread_mutex_unlock(&lock);
  printf("老师开始检查---------------\n");
}


int main() {
  pthread_t tid1, tid2;
  pthread_create(&tid1, NULL, do_homework, NULL);
  pthread_create(&tid2, NULL, check_homework, NULL);
  pthread_join(tid1, NULL);
  pthread_join(tid2, NULL);
  return 0;
}

3.2 编译和运行

• 编译和运行

$ gcc do_homework.c -o do_homework -lpthread
$ ./do_homework

• 运行结果

图1 运行结果

3.3 结果分析

从图 1 的结果中可以看到，老师第一次询问学生，有两种情况：

• 学生如果已经完成作业了，此时 finished == 1, while 循环体不会执行，老师直接为学生检查作业。
• 如果学生作业没写完，会进入循环体，老师调用 wait 进入等待队列，同时对互斥量解锁。试想如果不解锁，学生永远无法进入临界区，这就导致了死锁。解锁后，学生写完作业，最后唤醒队列中的老师线程，老师线程从 wait 函数返回，立即又对 mutex 加锁，试想，如果不加锁，学生线程又操作了 finished 变量，导致竞争错误。因为老师线程醒来后就直接去检查 while 中的 finished 变量了，此时检查变量是必须的，只是在这个案例中体现不出来，如果有多个老师，一个学生，学生可以让任意一个老师检查作业（学生可以通过 broadcast 唤醒所有老师），就显得很有必要了。

4. 总结

• 理解条件变量的作用
• 理解等待队列
• 理解 wait 函数 signal 函数的意义
• 进入 wait 函数和离开 wait 函数发生了什么事情

练习1：完成本文中的实验，在此基础上再新增一个老师线程，即一个学生写完作业，可以让其中任何一个老师检查，可以使用 pthread_cond_broadcast 函数唤醒所有老师线程，从而产生竞争。

练习2：4 个线程，线程 1 循环打印 A, 线程 2 循环打印 B, 线程 3 循环打印 C, 线程 4 循环打印 D. 完成下面两个问题：
1) 输出 ABCDABCDABCD…
2) 输出 DCBADCBADCBA…