【并发】多线程编程中条件变量和虚假唤醒的讨论

转自：http://blog.csdn.net/puncha/article/details/8493862

From: http://siwind.iteye.com/blog/1469216

From:http://en.wikipedia.org/wiki/Spurious_wakeup

According to David R. Butenhof's Programming with POSIX Threads ISBN 0-201-63392-2:

"

Spurious wakeup

means that when you wait on a condition variable, the wait may (occasionally) return when no thread specifically broadcast or signaled that condition variable. Spurious wakeups may sound strange, but on some multiprocessor systems, making condition wakeup completely predictable might substantially slow all condition variable operations. The  race conditions that cause spurious wakeups should be considered rare."

1. 概述  
条件变量(condition variable)是利用共享的变量进行线程之间同步的一种机制。典型的场景包括生产者-消费者模型，线程池实现等。 
对条件变量的使用包括两个动作： 
1) 线程等待某个条件, 条件为真则继续执行，条件为假则将自己挂起(避免busy wait,节省CPU资源)； 
2) 线程执行某些处理之后，条件成立；则通知等待该条件的线程继续执行。 
3) 为了防止race-condition，条件变量总是和互斥锁变量mutex结合在一起使用。  
一般的编程模式： 

 var mutex;
 var cond;
 var something;

 Thread1: (等待线程)
 lock(mutex);
 while( something not true ){
     condition_wait( cond, mutex);
 }
 do(something);
 unlock(mutex);

 ============================

 Thread2: (解锁线程)

 do(something);
 ....
 something = true;

 unlock(mutex);
 condition_signal(cond);

函数说明： 
(1) Condition_wait()：调用时当前线程立即进入睡眠状态,同时互斥变量mutex解锁(这两步操作是原子的，不可分割)，以便其它线程能进入临界区修改变量。 
(2) Condition_signal(): 线程调用此函数后，除了当前线程继续往下执行以外； 操作系统同时做如下动作：从condition_wait()中进入睡眠的线程中选一个线程唤醒， 同时被唤醒的线程试图锁(lock)住互斥量mutex, 当成功锁住后，线程就从condition_wait()中成功返回了。 

2. 函数接口  

 pthread: pthread_cond_wait/pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast()
 Java: Condition.await()/Condition.signal()/Condition.signalAll()

3. 虚假唤醒(spurious wakeup) 在采用条件等待时，我们使用的是 

 while(条件不满足){
    condition_wait(cond, mutex);
 }
 而不是:
 If( 条件不满足 ){
    Condition_wait(cond,mutex);
 }

这是因为可能会存在虚假唤醒”spurious wakeup”的情况。  
也就是说，即使没有线程调用condition_signal, 原先调用condition_wait的函数也可能会返回。此时线程被唤醒了，但是条件并不满足，这个时候如果不对条件进行检查而往下执行，就可能会导致后续的处理出现错误。 
虚假唤醒在linux的多处理器系统中/在程序接收到信号时可能回发生。在Windows系统和JAVA虚拟机上也存在。在系统设计时应该可以避免虚假唤醒，但是这会影响条件变量的执行效率，而既然通过while循环就能避免虚假唤醒造成的错误，因此程序的逻辑就变成了while循环的情况。 
注意：即使是虚假唤醒的情况，线程也是在成功锁住mutex后才能从condition_wait()中返回。即使存在多个线程被虚假唤醒，但是也只能是一个线程一个线程的顺序执行，也即：lock(mutex)   检查/处理  condition_wai()或者unlock(mutex)来解锁.  

4. 解锁和等待转移(wait morphing)  

解锁互斥量mutex和发出唤醒信号condition_signal是两个单独的操作，那么就存在一个顺序的问题。谁先随后可能会产生不同的结果。如下： 
(1) 按照 unlock(mutex); condition_signal()顺序， 当等待的线程被唤醒时，因为mutex已经解锁，因此被唤醒的线程很容易就锁住了mutex然后从conditon_wait()中返回了。 
(2) 按照 condition_signal(); unlock(mutext)顺序，当等待线程被唤醒时，它试图锁住mutex,但是如果此时mutex还未解锁，则线程又进入睡眠，mutex成功解锁后，此线程在再次被唤醒并锁住mutex，从而从condition_wait()中返回。  

可以看到，按照(2)的顺序，对等待线程可能会发生2次的上下文切换，严重影响性能。因此在后来的实现中，对(2)的情况，如果线程被唤醒但是不能锁住mutex,则线程被转移(morphing)到互斥量mutex的等待队列中，避免了上下文的切换造成的开销。 --  wait morphing  

编程时， 推荐采用(1)的顺序解锁和发唤醒信号 。 而Java编程只能按照(2)的顺序，否则发生异常! !。 

在SUSv3 http://en.wikipedia.org/wiki/Single_UNIX_Specification 的规范中(pthread)，指明了这两种顺序不管采用哪种，其实现效果都是一样的。