c++11多线程编程同步——使用条件变量condition variable

简述

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在多线程编程中，当多个线程之间需要进行某些同步机制时，如某个线程的执行需要另一个线程完成后才能进行，可以使用条件变量。

c++11提供的 condition_variable 类是一个同步原语，它能够阻塞一个或者多个线程，直到另一线程修改共享变量并通知 condition_variable。

也可以把它理解为信号通知机制，一个线程负责发送信号，其他线程等待该信号的触发。

condition_variable 存在一些问题，如虚假唤醒，这可以通知增加额外的共享变量来避免。

针对增加额外的变量这一点，为什么不在另一线程循环检测这个变量，从而达到相同目的而不需要再使用条件变量？

• 循环检测时，程序在高速运行，占用过高的cpu，而条件变量的等待是阻塞，休眠状态下cpu使用率为0，省电！
• 对于运行中的线程，可能会被操作系统调度，切换cpu核心，这样一来，所有的缓存可能失效，而条件变量不会，省时！

对于只需要通知一次的情况，如初始化完成、登录成功等，建议不要使用 condition_variable，使用std::future更好。

使用

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通知方：

• 获取 std::mutex, 通常是 std::lock_guard
• 修改共享变量（即使共享变量是原子变量，也需要在互斥对象内进行修改，以保证正确地将修改发布到等待线程）
• 在 condition_variable 上执行 notify_one/notify_all 通知条件变量（该操作不需要锁）

等待方：

• 获取相同的 std::mutex, 使用 std::unique_lock
• 执行 wait，wait_for或wait_until（该操作会自动释放锁并阻塞）
• 接收到条件变量通知、超时或者发生虚假唤醒时，线程被唤醒，并自动获取锁。唤醒的线程负责检查共享变量，如果是虚假唤醒，则应继续等待

std :: condition_variable仅适用于 std::unique_lock, 此限制允许在某些平台上获得最大效率。 std :: condition_variable_any提供可与任何BasicLockable对象一起使用的条件变量，例如std :: shared_lock。

示例代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
std::mutex m;
std::condition_variable cv;
std::string data;
bool ready = false;
bool processed = false;
 
void worker_thread()
{
    // Wait until main() sends data
    std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
    cv.wait(lk, []{return ready;});
 
    // after the wait, we own the lock.
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data += " after processing";
 
    // Send data back to main()
    processed = true;
    std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
 
    // Manual unlocking is done before notifying, to avoid waking up
    // the waiting thread only to block again (see notify_one for details)
    lk.unlock();
    cv.notify_one();
}
 
int main()
{
    std::thread worker(worker_thread);
 
    data = "Example data";
    // send data to the worker thread
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        ready = true;
        std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
    }
    cv.notify_one();
 
    // wait for the worker
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return processed;});
    }
    std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
 
    worker.join();
}

输出：

main() signals data ready for processing
Worker thread is processing data
Worker thread signals data processing completed
Back in main(), data = Example data after processing

其中：

• notify_one() 只唤醒一个线程，如果有多个线程，具体唤醒哪一个不确定，如果需要唤醒其他所有线程，使用 notify_all()
• 执行 notify_one() 时不需要锁
• 修改共享变量 ready/processed 时需要锁，共享变量用于避免虚假唤醒
• cv.wait 第一个参数必须是 unique_lock，因为它内部会执行 unlock和lock，如果需要设置超时，使用 wait_for/wait_until

总结

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使用注意事项：

• 需要共享变量来避免虚假唤醒
• 共享变量的修改需要在锁内进行
• 通知线程在发出通知时不需要加锁
• 通知线程一般使用lock_guard即可
• 接收线程的wait函数第一个参数需要是unique_lock
• 接收线程需要判断是否为虚假唤醒

特别注意，如果不使用共享变量，当通知线程在接收线程准备接收之前发送通知，接收线程将要永远阻塞了。这里，共享变量已经置位，所以它也能避免丢失唤醒。

总之，条件变量使用广泛，了解它的优势和不足，便于我们作出最佳决策。

参考资料

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std::condition_variable
why do I need std::condition_variable?