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UNIX(多线程)：16---条件变量

精进的医生 2022-11-01 阅读 143
#include条件变量iosWindows系统/运维

​​std::condition_variable​​ 类介绍

​​std::condition_variable​​​ 是条件变量，更多有关条件变量的定义参考维基百科。​​Linux​​​ 下使用 ​​Pthread​​​ 库中的 ​​pthread_cond_*()​​​ 函数提供了与条件变量相关的功能， ​​Windows​​ 则参考 MSDN。

当 ​​std::condition_variable​​​ 对象的某个 ​​wait​​​ 函数被调用的时候，它使用 ​​std::unique_lock​​​(封装 ​​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<std::mutex>​​​ 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。

首先我们来看一个简单的例子：

#include <iostream>                // std::cout
#include <thread>                // std::thread
#include <mutex>                // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable>    // 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 <std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...
        cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,
    // 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 <std::mutex> 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;
}

执行结果如下：

concurrency ) ./ConditionVariable-basic1 
10 threads ready to race...
thread 1
thread 0
thread 2
thread 3
thread 4
thread 5
thread 6
thread 7
thread 8
thread 9

好了，对条件变量有了一个基本的了解之后，我们来看看 std::condition_variable 的各个成员函数。

​​std::condition_variable​​ 构造函数

default (1)

condition_variable();

copy [deleted] (2)

condition_variable (const condition_variable&) = delete;

​​std::condition_variable​​ 的拷贝构造函数被禁用，只提供了默认构造函数。

​​std::condition_variable::wait()​​ 介绍

unconditional (1)

void wait (unique_lock<mutex>& lck);

predicate (2)

template <class Predicate>
void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

​​std::condition_variable​​​ 提供了两种 ​​wait()​​​ 函数。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。

在线程被阻塞时，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。另外，一旦当前线程获得通知(​​notified​​​，通常是另外某个线程调用 ​​notify_*​​​ 唤醒了当前线程)，​​wait()​​​ 函数也是自动调用 ​​lck.lock()​​​，使得 ​​lck​​​ 的状态和 ​​wait​​ 函数被调用时相同。

在第二种情况下（即设置了 ​​Predicate​​​），只有当 ​​pred​​​ 条件为 ​​false​​​ 时调用 ​​wait()​​​ 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 ​​pred​​​ 为 ​​true​​ 时才会被解除阻塞。因此第二种情况类似以下代码：

while (!pred()) wait(lck);

请看下面例子（参考）：

#include <iostream>                // std::cout
#include <thread>                // std::thread, std::this_thread::yield
#include <mutex>                // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable>    // std::condition_variable


std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;


int cargo = 0;
bool shipment_available()
{
    return cargo != 0;
}


// 消费者线程.
void consume(int n)
{
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
        cv.wait(lck, shipment_available);
        std::cout << cargo << '\n';
        cargo = 0;
    }
}


int main()
{
    std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程.


    // 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品.
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        while (shipment_available())
            std::this_thread::yield();
        std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
        cargo = i + 1;
        cv.notify_one();
    }


    consumer_thread.join();


    return 0;
}

程序执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-wait 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
std::condition_variable::wait_for() 介绍

std::condition_variable::wait_for()
unconditional (1)
template <class Rep, class Period>
cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
                      const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
predicate (2)
template <class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
               const chrono::duration<Rep, Period>& rel_time, Predicate pred);
与 ​​std::condition_variable::wait()​​​ 类似，不过 ​​wait_for​​​ 可以指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间 ​​rel_time​​​ 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，​​wait_for​​​ 返回，剩下的处理步骤和 ​​wait()​​ 类似。
另外，​​wait_for​​​ 的重载版本（​​predicte(2)​​​）的最后一个参数 pred 表示 ​​wait_for​​​ 的预测条件，只有当 ​​pred​​​ 条件为 ​​false​​​ 时调用 ​​wait()​​​ 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 ​​pred​​​ 为 ​​true​​ 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));
请看下面的例子（参考），下面的例子中，主线程等待 ​​th​​​ 线程输入一个值，然后将 ​​th​​​ 线程从终端接收的值打印出来，在 ​​th​​​ 线程接受到值之前，主线程一直等待，每个一秒超时一次，并打印一个 "​​.​​"：
#include <iostream>           // std::cout
#include <thread>             // std::thread
#include <chrono>             // std::chrono::seconds
#include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_status


std::condition_variable cv;


int value;


void do_read_value()
{
    std::cin >> value;
    cv.notify_one();
}


int main ()
{
    std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): \n";
    std::thread th(do_read_value);


    std::mutex mtx;
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) {
        std::cout << '.';
        std::cout.flush();
    }


    std::cout << "You entered: " << value << '\n';


    th.join();
    return 0;
}

​​std::condition_variable::wait_until​​ 介绍
unconditional (1)
template <class Clock, class Duration>
   cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
                        const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
predicate (2)
template <class Clock, class Duration, class Predicate>
   bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
                 const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time,
                 Predicate pred);
与 ​​std::condition_variable::wait_for​​​ 类似，但是 ​​wait_until​​​ 可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点 ​​abs_time​​​ 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，​​wait_until​​​ 返回，剩下的处理步骤和 ​​wait_until()​​ 类似。
另外，​​wait_until​​​ 的重载版本（​​predicte​​​(2)）的最后一个参数 ​​pred​​​ 表示 ​​wait_until​​​ 的预测条件，只有当 ​​pred​​​ 条件为 ​​false​​​ 时调用 ​​wait()​​​ 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 ​​pred​​​ 为 ​​true​​ 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
while (!pred())
    if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout)
    return pred();
return true;
std::condition_variable::notify_one() 介绍

std::condition_variable::notify_one(
唤醒某个等待(​​wait​​​)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做，如果同时存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(​​unspecified​​)。
请看下例（参考）：
#include <iostream>                // std::cout
#include <thread>                // std::thread
#include <mutex>                // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable>    // std::condition_variable


std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;


int cargo = 0; // shared value by producers and consumers


void consumer()
{
    std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);
    while (cargo == 0)
        cv.wait(lck);
    std::cout << cargo << '\n';
    cargo = 0;
}


void producer(int id)
{
    std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);
    cargo = id;
    cv.notify_one();
}


int main()
{
    std::thread consumers[10], producers[10];


    // spawn 10 consumers and 10 producers:
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            consumers[i] = std::thread(consumer);
        producers[i] = std::thread(producer, i + 1);
    }


    // join them back:
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        producers[i].join();
        consumers[i].join();
    }


    return 0;
}
std::condition_variable::notify_all() 介绍

std::condition_variable::notify_all()
唤醒所有的等待(​​wait​​)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做。请看下面的例子：
#include <iostream>                // std::cout
#include <thread>                // std::thread
#include <mutex>                // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable>    // 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 <std::mutex> lck(mtx);
    while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...
        cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,
    // 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 <std::mutex> 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;
}
std::condition_variable_any 介绍

std::condition_variable_any
与 ​​std::condition_variable​​​ 类似，只不过 ​​std::condition_variable_any​​​ 的 ​​wait​​​ 函数可以接受任何 ​​lockable​​​ 参数，而 ​​std::condition_variable​​​ 只能接受 ​​std::unique_lock<std::mutex>​​​ 类型的参数，除此以外，和 ​​std::condition_variable​​ 几乎完全一样。

​​std::cv_status​​ 枚举类型介绍
cv_status::no_timeout
wait_for 或者 wait_until 没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知。
cv_status::timeout
wait_for 或者 wait_until 超时。



   
 
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