如何在C++中使用条件变量_C++多线程同步之条件变量

std::condition_variable与std::mutex配合解决线程等待与通知问题，避免忙等待，在生产者-消费者模型中通过wait和notify实现高效协作，防止虚假唤醒需使用谓词，避免丢失唤醒应先加锁再检查条件。

在C++多线程编程里，当我们遇到一个线程需要等待某个条件满足才能继续执行的情况，std::condition_variable就是那个常常被我们请出来的“协调员”。它不是一个独立的锁，而是一个与std::mutex协同工作的工具，主要职责是让线程在特定条件下进入休眠状态，直到另一个线程发出信号唤醒它。简单来说，它解决了“等待”这个难题，避免了无谓的忙等待，让线程更高效地利用CPU资源。

解决方案

要在C++中有效地使用条件变量，核心思想是将其与互斥锁（std::mutex）结合起来，共同管理共享数据的访问和线程间的通知。最经典的场景莫过于生产者-消费者模型。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  // For std::chrono::milliseconds

std::mutex mtx; // 互斥锁，保护共享数据
std::condition_variable cv; // 条件变量，用于线程间通信
std::queue data_queue; // 共享数据队列
const int MAX_QUEUE_SIZE = 5; // 队列最大容量

// 生产者线程
void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx); // 锁定互斥量

        // 等待队列不满。如果队列已满，生产者线程在此处等待
        // wait()会自动释放锁并阻塞，被唤醒后会重新获取锁
        cv.wait(lock, [&]{ return data_queue.size() < MAX_QUEUE_SIZE; });

        data_queue.push(i); // 生产数据
        std::cout << "Producer produced: " << i << ". Queue size: " << data_queue.size() << std::endl;

        lock.unlock(); // 提前释放锁，让消费者有机会竞争
        cv.notify_one(); // 通知一个等待中的消费者线程

        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 模拟生产耗时
    }
    std::cout << "Producer finished." << std::endl;
}

// 消费者线程
void consumer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx); // 锁定互斥量

        // 等待队列不空。如果队列为空，消费者线程在此处等待
        cv.wait(lock, [&]{ return !data_queue.empty(); });

        int data = data_queue.front(); // 消费数据
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumer consumed: " << data << ". Queue size: " << data_queue.size() << std::endl;

        lock.unlock(); // 提前释放锁，让生产者有机会竞争
        cv.notify_one(); // 通知一个等待中的生产者线程

        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150)); // 模拟消费耗时
    }
    std::cout << "Consumer finished." << std::endl;
}

// int main() {
//     std::thread prod_thread(producer);
//     std::thread cons_thread(consumer);

//     prod_thread.join();
//     cons_thread.join();

//     std::cout << "All threads finished." << std::endl;
//     return 0;
// }

这个例子里，std::unique_lock确保了对data_queue的独占访问。cv.wait()是关键：它会在条件不满足时释放锁并让当前线程休眠，直到被notify_one()或notify_all()唤醒，并重新获取锁。传入的lambda表达式（谓词）是防止虚假唤醒和“丢失的唤醒”的关键。

条件变量究竟解决了哪些痛点？它和互斥量有什么不同？

说实话，刚接触多线程的时候，我常常会把互斥量和条件变量的概念搞混，或者觉得互斥量是不是就够用了。但深入下去，你会发现它们俩是完全不同的角色，却又密不可分。互斥量（std::mutex）的核心职责是保护共享资源，确保在任何时刻只有一个线程能访问它，避免数据竞争。它就像一道门，一次只能进出一个人。

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但光有门还不够。设想一个场景：一个线程A需要处理某个数据，但这个数据还没准备好。如果线程A只是傻傻地用一个循环去不断检查数据是否准备好（也就是所谓的“忙等待”），那它就会白白消耗CPU资源，效率极低。这就是互斥量解决不了的痛点——线程间的协作与等待。

条件变量（std::condition_variable）就是来解决这个问题的。它提供了一种机制，让一个线程可以在某个条件不满足时主动挂起（休眠），释放互斥锁，等待其他线程通知它条件已经满足。一旦条件满足，被通知的线程就会被唤醒，重新尝试获取互斥锁，然后继续执行。这就像是门旁边的一个呼叫器：数据没准备好，你就按一下呼叫器，然后去休息，等数据准备好了，有人会按呼叫器通知你。

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所以，它们的不同点很明显：

• 互斥量：解决资源访问冲突问题，保证原子性。
• 条件变量：解决线程等待与通知问题，实现线程间的协作。

它们之所以要配合使用，是因为条件变量在等待时需要释放互斥锁，这样其他线程才能进入临界区改变条件。被唤醒的线程也需要重新获取互斥锁，才能安全地检查条件并访问共享数据。没有互斥锁的保护，条件变量的等待和通知机制就毫无意义，甚至会引入新的数据竞争问题。我个人觉得，理解它们的这种“共生”关系，是掌握C++多线程同步的关键一步。

使用std::condition_variable时有哪些常见的陷阱和最佳实践？

在使用std::condition_variable时，虽然它功能强大，但确实有些地方稍不注意就可能踩坑。我总结了几点，也算是自己摸索过程中吃过亏的地方。

1. 虚假唤醒（Spurious Wakeups）：这是最常见的陷阱之一。条件变量的wait()方法有时可能会在没有notify_one()或notify_all()调用时被唤醒。这听起来有点反直觉，但确实会发生，而且是标准允许的行为。

   • 最佳实践：始终使用谓词（predicate）。cv.wait(lock, []{ return condition; }); 这种形式是强烈推荐的。wait方法会在被唤醒后，自动重新检查谓词。如果谓词仍然为false，它会再次释放锁并进入等待状态。这确保了线程只在真正需要时才继续执行，有效规避了虚假唤醒带来的问题。

2. “丢失的唤醒”（Lost Wakeups）：如果一个notify_one()或notify_all()调用发生在wait()方法被调用之前，那么这个唤醒信号就可能被“丢失”了，导致本应被唤醒的线程永远等待下去。这通常发生在条件已经满足，但等待线程还没来得及进入wait状态的时候。

   • 最佳实践：
     • 在改变条件后立即调用notify_one()或notify_all()。虽然理论上可以在解锁互斥量后调用notify，但在互斥量保护