C 條件變數使用詳解

condition_variable介紹

細節說明

wait/wait_for說明

wait()成員函式

wait_for()成員函式

notify_all/notify_one

虛假喚醒

條件變數使用

在c++11中，我們可以使用條件變數（condition_variable）實現多個執行緒間的同步操作；當條件不滿足時，相關執行緒被一直阻塞，直到某種條件出現，這些執行緒才會被喚醒。

其主要成員函式如下:

條件變數是利用執行緒間共享的全域性變數進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：

為了防止競爭，條件變數的使用總是和乙個互斥鎖結合在一起；通常情況下這個鎖是std::mutex，並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：

在條件變數中只能使用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。它們的主要區別在於unique_lock鎖機制更加靈活，可以再需要的時候進行lock或者unlock呼叫，不非得是析構或者構造時。它們的區別可以通過成員函式就可以一目了然。在這裡插入描述

執行緒的阻塞是通過成員函式wait()/wait_for()/wait_until()函式實現的。這裡主要說明前面兩個函式：

函式宣告如下：

void wait( std::unique_lock& lock );
//predicate 謂詞函式，可以普通函式或者lambda表示式
template
void wait( std::unique_lock& lock, predicate pred );

wait 導致當前執行緒阻塞直至條件變數被通知，或虛假喚醒發生，可選地迴圈直至滿足某謂詞。

函式宣告如下：

template
std::cv_status wait_for( std::unique_lock& lock,
const std::chrono::duration& rel_time);

template
bool wait_for( std::unique_lock& lock,
const std::chrono::duration& rel_time,
predicate pred);

wait_for 導致當前執行緒阻塞直至條件變數被通知，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 時限後謂詞 pred 仍求值為 false 則為 false ，否則為 true 。

以上兩個型別的wait函式都在會阻塞時，自動釋放鎖許可權，即呼叫unique_lock的成員函式unlock（），以便其他執行緒能有機會獲得鎖。這就是條件變數只能和unique_lock一起使用的原因，否則當前執行緒一直占有鎖，執行緒被阻塞。

notify函式宣告如下：

void notify_one() noexcept;

若任何執行緒在 *this 上等待，則呼叫 notify_one 會解阻塞(喚醒)等待執行緒之一。

void notify_all() noexcept;

若任何執行緒在 *this 上等待，則解阻塞（喚醒)全部等待執行緒。

在正常情況下，wait型別函式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，因此作業系統的原因，wait型別在不滿足條件時，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引數的wait函式，因為這種(***, predicate pred )型別的函式等價於：

while (!pred()) //while迴圈，解決了虛假喚醒的問題

原因說明如下：

假設系統不存在虛假喚醒的時，**形式如下：

if (不滿足***條件)
//其他**
...

正確的使用方式，使用while語句解決：

while (!(***條件) )
//其他**
....

在這裡，我們使用條件變數，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，也稱有限緩衝問題，是乙個多程序/執行緒同步問題的經典案例。該問題描述了共享固定大小緩衝區的兩個程序/執行緒——即所謂的「生產者」和「消費者」,在實際執行時會發生的問題。

生產者的主要作用是生成一定量的資料放到緩衝區中，然後重複此過程。與此同時，費者也在緩衝區消耗這些資料。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩衝區滿時加入資料，消費者也不會在緩衝區中空時消耗資料。

要解決該問題，就必須讓生產者在緩衝區滿時休眠（要麼乾脆就放棄資料），等到下次消費者消耗緩衝區中的資料的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩衝區新增資料。

同樣，也可以讓消費者在緩衝區空時進入休眠，等到生產者往緩衝區新增資料之後，再喚醒消費者。

生產者-消費者**如下：

std::mutex g_cvmutex;
std::condition_variable g_cv;
//快取區
std::dequeg_data_deque;
//快取區最大數目
const int  max_num = 30;
//資料
int g_next_index = 0;
//生產者，消費者執行緒個數
const int producer_thread_num  = 3;
const int consumer_thread_num = 3;
void  producer_thread(int thread_id)
);      g_next_index++;
g_data_deque.push_back(g_next_index);
std::cout <
std::cout <
//喚醒其他執行緒 
g_cv.notify_all();
//自動釋放鎖
}}void  consumer_thread(int thread_id)
);        //互斥操作，訊息資料
int data = g_data_deque.front();
g_data_deque.pop_front();
std::cout <
std::cout <
//喚醒其他執行緒
g_cv.notify_all();
//自動釋放鎖
}}int main()
for (int i = 0; i 
for (int i = 0; i 
for (int i = 0; i 
return 0;
}

執行結果：

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