条件变量简析

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gaosmile 发布时间：2020-8-28 21:53

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想必大家开发过程中都会用到多线程，用到多线程基本上都会用到条件变量，你理解的条件变量只是简单的wait和notify吗，最近工作中看同事也都只是简单的使用wait和notify，导致项目出现bug却不知如何fix bug，其实这里面还是有一些坑的，程序喵这里总结给大家。

本文内容简介：

什么是条件变量？

条件变量如何使用？

如何解决条件变量的信号丢失问题？

如何解决条件变量的虚假唤醒问题？
条件变量为什么一定要和锁配合使用？

什么是条件变量？

条件变量是多线程程序中用来实现等待和唤醒逻辑常用的方法。通常有wait和notify两个动作，wait用于阻塞挂起线程A，直到另一个线程B通过通过notify唤醒线程A，唤醒后线程A会继续运行。

条件变量在多线程中很常用，在有名的生产者和消费者问题中，消费者如何知道生成者是否生产出了可以消费的产品，通过while循环不停的去判断是否有可消费的产品？众所周知，死循环极其消耗CPU性能，所以需要使用条件变量来阻塞线程，降低CPU占用率。

条件变量的使用

拿生产者和消费者问题举例，看下面这段代码：

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec;
void Consume() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
cv.wait(lock);
std::cout << "consume " << vec.size() << "\n";
}
void Produce() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
vec.push_back(1);
cv.notify_all();
std::cout << "produce \n";
}
int main() {
std::thread t(Consume);
t.detach();
Produce();
return 0;
}

复制代码

本意是消费者线程阻塞，等待生产者生产数据后去通知消费者线程，这样消费者线程就可以拿到数据去消费。

但这里有个问题：

如果先执行的Produce()，后执行的Consume()，生产者提前生产出了数据，去通知消费者，但是此时消费者线程如果还没有执行到wait语句，即线程还没有处于挂起等待状态，线程没有等待此条件变量上，那通知的信号就丢失了，后面Consume()中才执行wait处于等待状态，但此时生产者已经不会再触发notify，那消费者线程就会始终阻塞下去，出现bug。

如何解决这个问题呢？可以附加一个判断条件，就可以解决这种信号丢失问题，见代码：

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec;
void Consumer() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
if (vec.empty()) { // 加入此判断条件
cv.wait(lock);
}
std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
}
void Produce() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
vec.push_back(1);
cv.notify_all();
std::cout << "produce \n";
}
int main() {
std::thread t(Consumer);
t.detach();
Produce();
return 0;
}

复制代码

通过增加附加条件可以解决信号丢失的问题，但这里还有个地方需要注意，消费者线程处于wait阻塞状态时，即使没有调用notify，操作系统也会有一些概率会唤醒处于阻塞的线程，使其继续执行下去，这就是虚假唤醒问题，当出现了虚假唤醒后，消费者线程继续执行，还是没有可以消费的数据，出现了bug。

那怎么解决虚假唤醒的问题呢，可以在线程由阻塞状态被唤醒后继续判断附加条件，看是否满足唤醒的条件，如果满足则继续执行，如果不满足，则继续去等待，体现在代码中，即将if判断改为while循环判断，见代码：

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec;
void Consumer() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
while (vec.empty()) { // 将if改为while
cv.wait(lock);
}
std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
}
void Produce() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
vec.push_back(1);
cv.notify_all();
std::cout << "produce \n";
}
int main() {
std::thread t(Consumer);
t.detach();
Produce();
return 0;
}

复制代码

看到这里相信你已经明白条件变量的使用啦，需要使用while循环附加判断条件来解决条件变量的信号丢失和虚假唤醒问题。

有没有更简单的“避坑”方式

难道我们每次都必须要使用while循环和附加条件来操作条件变量吗？这岂不是很麻烦？

NO!

在C++中其实有更好的封装，只需要调用wait函数时，在参数中直接添加附加条件就好了，内部已经做好了while循环判断，直接使用即可，见代码：

std::mutex mutex;
std::condition_variable cv;
std::vector<int> vec;
void Consumer() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
cv.wait(lock, [&](){ return !vec.empty(); }); // 这里可以直接使用C++的封装
std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
}
void Produce() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
vec.push_back(1);
cv.notify_all();
std::cout << "produce \n";
}
int main() {
std::thread t(Consumer);
t.detach();
Produce();
return 0;
}

复制代码

但在C语言中就没办法啦，大家只能自己做一层封装啦。

为什么条件变量需要和锁配合使用？

为什么叫条件变量呢？

因为内部是通过判断及修改某个全局变量来决定线程的阻塞与唤醒，多线程操作同一个变量肯定需要加锁来使得线程安全。同时，一个简单的wait函数调用内部会很复杂的，有可能线程A调用了wait函数但是还没有进入到wait阻塞等待前，另一个线程B在此时却调用了notify函数，此时nofity的信号就丢失啦，如果加了锁，线程B必须等待线程A释放了锁并进入了等待状态后才可以调用notify，继而防止信号丢失。

关于条件变量就介绍到这里，希望大家能有所收获，平时使用过程中可以避掉条件变量的坑。