pthread 条件变量使用详解

pthread 条件变量使用

• 条件变量：多线程中常用的一种同步机制。通常与互斥锁结合使用，用于实现线程之间的等待和通知机制。
• 条件变量提供了线程间的通信方式，其中一个线程可以等待某个条件满足，而另一个线程可以通知条件已经满足。
• 允许线程在某个特定的条件下进行等待，而不是占用 CPU 资源进行轮询检查。
• 通常用于解决生产者-消费者问题、读者-写者问题以及其他需要线程间同步的场景。
• 在使用条件变量时，需要搭配互斥锁以确保线程安全。当一个线程等待条件满足时，它会释放互斥锁，并等待其他线程通知。一旦收到通知，它会重新尝试获取互斥锁以进行后续操作。
• 在使用条件变量时要避免出现竞态条件（Race Condition），即在等待条件和接收通知之间可能发生的状态改变。因此，通常使用 while 循环来检查条件是否满足，而不是使用 if 语句。

pthread_cond_init

• 函数原型：

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

  • cond：指向条件变量的指针。
  • attr：指向条件变量属性的指针，通常设置为 NULL，表示使用默认属性。

• 用于初始化条件变量。

• 使用条件变量时，应该先初始化再使用，最后再销毁。

pthread_cond_destroy

• 函数原型：

  int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
  

  • cond：指向条件变量的指针。

• 用于销毁条件变量，并释放与之相关的资源。

• 在销毁条件变量之前，需要确保没有任何线程在等待或正在使用该条件变量。

• 条件变量通常与互斥锁一起使用，因此在销毁条件变量之前，还需要确保相关的互斥锁已经被销毁。条件变量和互斥锁的销毁顺序应该与它们的创建顺序相反。

pthread_cond_wait

• 函数原型：

  int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
  

  • cond：指向条件变量的指针。
  • mutex：指向互斥锁的指针。
  • 返回值：成功返回 0，失败返回错误代码。

• 用于等待条件变量被唤醒。

• 调用该函数之前，必须先获得互斥锁 mutex。

• 在等待期间，互斥锁会自动释放，并使当前线程处于阻塞状态，直到条件变量被唤醒并且重新获得互斥锁为止。

pthread_cond_timedwait

• 函数原型：

  int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
  

  • cond：指向条件变量的指针。
  • mutex：指向互斥锁的指针。
  • abstime：指向结构体 timespec 的指针，表示等待的绝对时间。
  • 返回值：成功返回 0，失败返回错误代码。

• 用于在指定的时间内等待条件变量被唤醒。如果在等待过程中条件变量被唤醒，则返回 0；如果等待超时，则返回 ETIMEDOUT；如果出现其他错误，则返回错误码。

• 调用该函数之前，必须先获得互斥锁 mutex。

• 在等待期间，互斥锁会自动释放，并使当前线程处于阻塞状态，直到条件变量被唤醒并且重新获得互斥锁为止。

pthread_cond_signal

• 函数原型：

  int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
  

  • cond：指向条件变量的指针。

• 用于唤醒等待条件变量的一个线程。

• 如果有多个线程在等待条件变量，则会唤醒其中一个线程。

• 如果没有线程在等待条件变量，则该函数不会产生任何效果。

pthread_cond_broadcast

• 函数原型：

  int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  

  • cond：指向条件变量的指针。

• 用于唤醒所有等待条件变量的线程。

• 如果没有线程在等待该条件变量，则该函数不会产生任何效果。

示例

• 以下示例演示了条件变量的基本使用：一个线程更改变量值， 另一个线程等待变量值被更改后再使用。

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  int var = 10;
  pthread_cond_t g_cond;
  pthread_mutex_t g_mutex;
  
  void* thread1_func(void* arg)
  {
      // 必须先获取互斥锁
      pthread_mutex_lock(&g_mutex);
  
      sleep(1);
      var = 100;
      printf("thread1, change var to %d \n", var);
  
      // 解锁
      pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
  
      // 唤醒等待该条件变量的一个线程
      pthread_cond_signal(&g_cond);
      return NULL;
  }
  
  void* thread2_func(void* arg)
  {
      // 必须先获取互斥锁
      pthread_mutex_lock(&g_mutex);
  
      // 获取当前时间
      struct timespec ts;
      clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
      // 设置等待时间为 5 秒
      ts.tv_sec += 5;
  
      // 等待条件变量被唤醒，或者等待时间超时
      // 在等待期间，互斥锁会自动释放，并使当前线程处于阻塞状态，直到条件变量被唤醒并且重新获得互斥锁为止
      printf("thread2, waiting cond signal\n");
      int ret = pthread_cond_timedwait(&g_cond, &g_mutex, &ts);
      if (ret == 0) {
          // 条件变量被唤醒并且已经持有互斥锁
          printf("thread2, get cond signaled\n");
      } else if (ret == ETIMEDOUT) {
          printf("thread2, wait timed out\n");
      } else {
          printf("thread2, wait failed\n");
      }
  
      printf("thread2, get var %d\n", var);
  
      // 解锁
      pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
      return NULL;
  }
  
  int main()
  {
      // 初始化条件变量
      pthread_cond_init(&g_cond, NULL);
      // 初始化互斥锁
      pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);
  
      // 创建线程
      pthread_t th1;
      pthread_t th2;
      pthread_create(&th2, NULL, thread2_func, NULL);
      // 让线程 2 先运行
      sleep(1);
      pthread_create(&th1, NULL, thread1_func, NULL);
  
      // 等待线程结束
      pthread_join(th1, NULL);
      pthread_join(th2, NULL);
  
      // 销毁互斥锁
      pthread_mutex_destroy(&g_mutex);
      // 销毁条件变量
      pthread_cond_destroy(&g_cond);
      return 0;
  }