condition_variable介紹

在C 11中，我們可以使用條件變量（condition_variable）實現多個線程間的同步操作；當條件不滿足時，相關線程被一直阻塞，直到某種條件出現，這些線程才會被喚醒。

其主要成員函數如下:

條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：

• 一個線程因等待"條件變量的條件成立"而掛起；

• 另外一個線程使"條件成立"，給出信號，從而喚醒被等待的線程。

為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結合在一起；通常情況下這個鎖是std::mutex，并且管理這個鎖 只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板類。

上面提到的兩個步驟，分別是使用以下兩個方法實現：

• 等待條件成立使用的是condition_variable類成員wait 、wait_for 或 wait_until。

• 給出信號使用的是condition_variable類成員notify_one或者notify_all函數。

細節說明

在條件變量中只能使用std::unique_lock< std::mutex >說明

unique_lock和lock_guard都是管理鎖的輔助類工具，都是RAII風格；它們是在定義時獲得鎖，在析構時釋放鎖。它們的主要區別在于unique_lock鎖機制更加靈活，可以再需要的時候進行lock或者unlock調用，不非得是析構或者構造時。它們的區別可以通過成員函數就可以一目了然。在這里插入圖片描述

wait/wait_for說明

線程的阻塞是通過成員函數wait()/wait_for()/wait_until()函數實現的。這里主要說明前面兩個函數：

wait()成員函數

函數聲明如下：

void?wait(?std::unique_lock<std::mutex>&?lock?); //Predicate?謂詞函數，可以普通函數或者lambda表達式 template<?class?Predicate?> void?wait(?std::unique_lock<std::mutex>&?lock,?Predicate?pred?);

wait 導致當前線程阻塞直至條件變量被通知，或虛假喚醒發生，可選地循環直至滿足某謂詞。

wait_for()成員函數

函數聲明如下：

template<?class?Rep,?class?Period?> std::cv_status?wait_for(?std::unique_lock<std::mutex>&?lock,const?std::chrono::duration&?rel_time);template<?class?Rep,?class?Period,?class?Predicate?> bool?wait_for(?std::unique_lock<std::mutex>&?lock,const?std::chrono::duration&?rel_time,Predicate?pred);

wait_for 導致當前線程阻塞直至條件變量被通知，或虛假喚醒發生，或者超時返回。

返回值說明：

若經過 rel_time 所指定的關聯時限則為 std::cv_status::timeout ，否則為 std::cv_status::no_timeout 。

若經過 rel_time 時限后謂詞 pred 仍求值為 false 則為 false ，否則為 true 。

以上兩個類型的wait函數都在會阻塞時，自動釋放鎖權限，即調用unique_lock的成員函數unlock（），以便其他線程能有機會獲得鎖。這就是條件變量只能和unique_lock一起使用的原因，否則當前線程一直占有鎖，線程被阻塞。

notify_all/notify_one

notify函數聲明如下：

void?notify_one()?noexcept;

若任何線程在 *this 上等待，則調用 notify_one 會解阻塞(喚醒)等待線程之一。

void?notify_all()?noexcept;

若任何線程在 *this 上等待，則解阻塞（喚醒)全部等待線程。

虛假喚醒

在正常情況下，wait類型函數返回時要不是因為被喚醒，要不是因為超時才返回，但是在實際中發現，因此操作系統的原因，wait類型在不滿足條件時，它也會返回，這就導致了虛假喚醒。因此，我們一般都是使用帶有謂詞參數的wait函數，因為這種(xxx, Predicate pred )類型的函數等價于：

while?(!pred())?//while循環，解決了虛假喚醒的問題 {wait(lock); }

原因說明如下：

假設系統不存在虛假喚醒的時，代碼形式如下：

if?(不滿足xxx條件) {//沒有虛假喚醒，wait函數可以一直等待，直到被喚醒或者超時，沒有問題。//但實際中卻存在虛假喚醒，導致假設不成立，wait不會繼續等待，跳出if語句，//提前執行其他代碼，流程異常wait();?? }//其他代碼 ...

正確的使用方式，使用while語句解決：

while?(!(xxx條件)?) {//虛假喚醒發生，由于while循環，再次檢查條件是否滿足，//否則繼續等待，解決虛假喚醒wait();?? } //其他代碼 ....

條件變量使用

在這里，我們使用條件變量，解決生產者-消費者問題，該問題主要描述如下：

生產者-消費者問題，也稱有限緩沖問題，是一個多進程/線程同步問題的經典案例。該問題描述了共享固定大小緩沖區的兩個進程/線程——即所謂的“生產者”和“消費者”,在實際運行時會發生的問題。

生產者的主要作用是生成一定量的數據放到緩沖區中，然后重復此過程。與此同時，費者也在緩沖區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩沖區滿時加入數據，消費者也不會在緩沖區中空時消耗數據。

要解決該問題，就必須讓生產者在緩沖區滿時休眠（要么干脆就放棄數據），等到下次消費者消耗緩沖區中的數據的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩沖區添加數據。

同樣，也可以讓消費者在緩沖區空時進入休眠，等到生產者往緩沖區添加數據之后，再喚醒消費者。

生產者-消費者代碼如下：

std::mutex?g_cvMutex; std::condition_variable?g_cv;//緩存區 std::deque<int>?g_data_deque; //緩存區最大數目 const?int??MAX_NUM?=?30; //數據 int?g_next_index?=?0;//生產者，消費者線程個數 const?int?PRODUCER_THREAD_NUM??=?3; const?int?CONSUMER_THREAD_NUM?=?3;void??producer_thread(int?thread_id) {while?(true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));//加鎖std::unique_lock?<std::mutex>?lk(g_cvMutex);//當隊列未滿時，繼續添加數據g_cv.wait(lk,?[](){?return?g_data_deque.size()?<=?MAX_NUM;?});g_next_index ;g_data_deque.push_back(g_next_index);std::cout?<<?"producer_thread:?"?<<?thread_id?<<?"?producer?data:?"?<<?g_next_index;std::cout?<<?"?queue?size:?"?<<?g_data_deque.size()?<<?std::endl;//喚醒其他線程?g_cv.notify_all();//自動釋放鎖} }void??consumer_thread(int?thread_id) {while?(true){std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(550));//加鎖std::unique_lock?<std::mutex>?lk(g_cvMutex);//檢測條件是否達成g_cv.wait(?lk,???[]{?return?!g_data_deque.empty();?});//互斥操作，消息數據int?data?=?g_data_deque.front();g_data_deque.pop_front();std::cout?<<?"\tconsumer_thread:?"?<<?thread_id?<<?"?consumer?data:?";std::cout?<<?data?<<?"?deque?size:?"?<<?g_data_deque.size()?<<?std::endl;//喚醒其他線程g_cv.notify_all();//自動釋放鎖} }int?main()

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C 条件变量使用详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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