C++11 多线程编程之条件变量std:: condition_variable、wait()、notify_one()、notify_all()

1、为何引入条件变量 ？

• 解决while不断循环收发消息，让它只有消息到来时才进行处理。大大减少CPU的使用率和提高程序效率；
• 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。

2、条件变量 std:: condition_variable

std:: condition_variable是条件变量，实际上是个类，是一个与条件相关的类，说白了就是等待一个条件的达成。这个类是需要和互斥量来配合工作的，使用时定义一个该类对象即可。

实例代码：
线程A：循环等待一个条件满足，但若条件不满足会休眠在条件变量，并不会占用CPU。
线程B：专门往消息队列扔消息（数据），然后通知其它线程。

•  当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程；
• std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lock 来等待，如果需要使用另外的 lockable 类型，可以使用 std::condition_variable_any 类，本文后面会讲到 std::condition_variable_any 的用法；

注意：

• 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。
• 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

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。

3、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接着会怎么样？会阻塞？还是继续尝试获得锁？答案是会继续尝试获得锁(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。

看下面的例子：

#include                 // std::cout
#include                   // std::thread
#include                    // std::mutex, std::unique_lock
#include       // std::condition_variable
 
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::condition_variable cv; // 全局条件变量.
bool ready = false; // 全局标志位.
 
void do_print_id(int id)
{
    std::unique_lock  lck(mtx);

    while (!ready) // 如果标志位ready=false，！ready = true时, 则执行cv.wait(lck)，当前线程被阻塞；
        cv.wait(lck); /*当全局标志位ready=true 之后,不执行 cv.wait(lck)，
                      且另一个线程有 cv.notify_all()时，线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.*/

    std::cout << "thread " << id << '\n';
}
 
void go()
{
    std::unique_lock  lck(mtx);
    ready = true; // 设置全局标志位为 true.
    cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.
}
 
int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(do_print_id, i);
 
    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go(); // go!
 
  for (auto & th:threads)
        th.join();
 
    return 0;
}

运行结果为：

0 threads ready to race...
thread 1
thread 0
thread 2
thread 3
thread 4
thread 5
thread 6
thread 7
thread 8
thread 9

输出表明所有线程被唤醒，然后依旧获得了锁。

如果将go()中的cv.notify_all()改为cv.notify_one()，运行结果为：

10 threads ready to race...
thread 1

输出表明只有有一个线程被唤醒，然后该线程释放锁，这时锁已经处理非锁定状态，但是其余线程依旧处于阻塞状态。

• 当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），不妨设获得锁 lck)，直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程，该函数会自动调用 lck.unlock() 释放锁，使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。
• 所以，线程阻塞在condition_variable时，它是等待notify_one()或者notify_all()来唤醒，而不是等待锁可以被锁定来唤醒。线程被唤醒后，会通过轮询方式获得锁，获得锁前也一直处理运行状态，不会被再次阻塞。

参考资料

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

https://blog.csdn.net/guotianqing/article/details/104017649?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~baidujs_title~default-0.control&spm=1001.2101.3001.4242

https://blog.csdn.net/weixin_44517656/article/details/112096777?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~baidujs_title~default-0.control&spm=1001.2101.3001.4242

https://blog.csdn.net/qq_38210354/article/details/107168532?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EOPENSEARCH%7Edefault-1.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EOPENSEARCH%7Edefault-1.control