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如何使用 C++ 多线程条件变量？

2023-07-05 13:29:18 深夜i -- --

C++ 多线程条件变量使用

C++ 多线程技术已经逐渐成为了程序开发中必不可少的一环，它可以帮助程序开发人员在处理一些需要复杂计算或者是需要大量数据处理的时候来提升程序的运行效率。在多线程应用中，条件变量是扮演着重要的角色，帮助开发人员在多线程程序中进行线程同步和协作。下面我们将介绍如何使用 C++ 多线程条件变量。

1. 什么是条件变量

C++ 中的条件变量是同步的机制，它可以帮助开发人员控制线程的状态，即让程序在特定的条件满足时唤醒线程。条件变量通常与互斥锁搭配使用，防止线程在访问共享内存时发生冲突。条件变量通常有两个操作：等待条件和通知条件。

2. C++ 多线程条件变量的使用

2.1 定义条件变量

在 C++ 中，定义条件变量一般需要包含 mutex 和条件变量两个对象：

//定义互斥锁 std::mutex mtx; //定义条件变量 std::condition_variable cv;

2.2 等待条件

使用条件变量等待条件时，通常需要调用两个函数：

- `wait()`：使线程等待至其他线程调用 `notify_*` 或 `notify_all` 唤醒它，调用函数时会自动释放 mutex。

- `wait(lock, pred)`：和 `wait()` 类似，但是需要传入一个条件谓词，只有当条件谓词返回false时，阻塞的线程才会得到解锁。

下面是阻塞等待条件的示例代码：


  //定义互斥锁
  std::mutex mtx;
  //定义条件变量
  std::condition_variable cv;
  int data = 0;
  bool flag = false;
  
  void Consumer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!flag) {
      cv.wait(lock);
    }
    std::cout << "Consumer received the data: " << data << std::endl;
  }
  void Producer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    data = 100;
    flag = true;
    cv.notify_one(); // 唤醒一个线程
  }

在这个例子里，我们定义了一个互斥锁 `mtx` 和条件变量 `cv`，并定义了一个 `flag` 来表示是否有数据，然后我们可以在 Consumer 线程中等待数据可用时被唤醒，Producer 线程则在数据可用后唤醒它。

2.3 通知条件

在 C++ 多线程中，使用 `notify_one` 或 `notify_all` 来通知等待线程条件已经满足，可以把这个函数放到共享变量修改后，这时别的线程就会被唤醒来检查变量是否已经满足条件。如果满足要求，线程就可以执行操作，如果不满足，线程就会再次进入 `wait()` 状态。下面是通知条件的示例代码：


  //定义互斥锁
  std::mutex mtx;
  //定义条件变量
  std::condition_variable cv;
  int data = 0;
  bool flag = false;
  
  void Consumer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!flag) {
      cv.wait(lock);
    }
    std::cout << "Consumer received the data: " << data << std::endl;
  }
  void Producer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    data = 100;
    flag = true;
    cv.notify_one(); // 唤醒一个线程
  }

这里在 Producer 中更新数据并设置标识符，然后调用 `notify_one` 来唤醒一个等待这个条件的线程。在 Consumer 中，线程会等待直到条件满足，然后才会顺利退出。

可能会出现的问题：

在 C++ 多线程条件变量使用过程中，需要关注两个问题：

1. 阻塞和唤醒顺序的问题

当一个线程正在等待条件变量，另一个线程正在等待锁，如果先唤醒了等待锁的线程，那么当前等待条件变量的线程就无法进入关键代码段，这会导致程序死锁。因此，代码中要确保先唤醒正在等待条件变量的线程，再唤醒正在等待锁的线程。

2. 条件的不准确性

在 C++ 的条件变量使用过程中，如果存在许多种状态的情况，那么可能会出现条件不准确的情况。例如，如果设置了多个线程等待同一个条件变量，那么在唤醒它们时如果没有使用正确的方式，可能会带来错误的结果，这就需要程序员进行精细调试。

总之，C++ 多线程条件变量是实现多线程同步和协作的重要工具之一，但是使用时需要注意防止死锁等问题，并且要保证条件准确性。如果自己不熟练，建议多加练习和咨询专家。

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