std::condition_variable 是 C++ 标准库中用于线程同步的工具之一，它允许一个或多个线程等待某个条件的发生。std::condition_variable 通常与互斥锁（std::mutex）一起使用，以实现线程间的同步和通信。
一、基本概念
std::condition_variable 的主要功能是允许线程在某个条件不满足时进入休眠状态，并在条件满足时被唤醒。它通常用于实现生产者-消费者模式、线程间同步等场景。
二、工作原理
- 互斥锁（Mutex）：
std::condition_variable需要与一个互斥锁（std::mutex）一起使用，以确保线程安全。- 互斥锁用于保护共享资源，防止多个线程同时访问。
- 等待条件（Wait）：
- 线程可以通过
wait或wait_for方法进入休眠状态，直到条件变量被通知（notify）。 wait方法会释放互斥锁，并使线程进入休眠状态，直到条件变量被通知。wait_for方法会释放互斥锁，并使线程进入休眠状态，直到条件变量被通知或超时。
- 通知条件（Notify）：
- 通过
notify_one或notify_all方法通知等待的线程。 notify_one唤醒一个等待的线程。notify_all唤醒所有等待的线程。
三、示例代码
以下是一个简单的生产者-消费者示例，展示如何使用 std::condition_variable 实现线程间的同步。
生产者-消费者示例
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
std::queue<int> dataQueue;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool done = false;
void producer() {
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
dataQueue.push(i);
lock.unlock();
cv.notify_one(); // 通知消费者
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 模拟生产时间
}
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
done = true;
}
cv.notify_all(); // 通知所有消费者
}
void consumer(int id) {
while (true) {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty() || done; }); // 等待条件
if (done && dataQueue.empty()) {
break; // 如果生产者完成且队列为空，退出
}
int data = dataQueue.front();
dataQueue.pop();
lock.unlock();
std::cout << "Consumer " << id << " processed data: " << data << std::endl;
}
}
int main() {
std::thread producerThread(producer);
std::thread consumerThread1(consumer, 1);
std::thread consumerThread2(consumer, 2);
producerThread.join();
consumerThread1.join();
consumerThread2.join();
return 0;
}四、关键点解释
- 互斥锁（Mutex）：
std::mutex mtx用于保护共享资源dataQueue，防止多个线程同时访问。
- 条件变量（Condition Variable）：
std::condition_variable cv用于线程间的同步，允许线程在条件不满足时进入休眠状态。
- 等待条件（Wait）：
cv.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty() || done; });释放互斥锁并使线程进入休眠状态，直到条件变量被通知。cv.wait的第二个参数是一个谓词，用于检查条件是否满足。如果条件不满足，线程将继续休眠。
- 通知条件（Notify）：
cv.notify_one();唤醒一个等待的线程。cv.notify_all();唤醒所有等待的线程。
五、注意事项
- 避免死锁：
- 确保在调用
wait或wait_for之前已经锁定了互斥锁。 - 确保在通知条件变量之前释放互斥锁。
- 避免虚假唤醒：
- 使用谓词来检查条件是否真正满足，避免虚假唤醒导致的逻辑错误。
- 线程安全：
- 确保所有对共享资源的访问都在互斥锁的保护下进行。
六、总结
std::condition_variable 是 C++ 标准库中用于线程同步的强大工具。通过与互斥锁（std::mutex）一起使用，可以实现线程间的高效同步和通信。在生产者-消费者模式、线程间同步等场景中，std::condition_variable 提供了简洁且高效的解决方案。
