使用条件变量实现线程同步

C语言中文网：使用条件变量实现线程同步

假设一个进程中包含多个线程，这些线程共享变量 x，我们希望某个（或某些）线程等待 “x==10’ 条件成立后再执行后续的代码，该如何实现呢？

您可能想到用 while 循环实现，例如：

void* threadFun(void * args){
    while(x != 10){
        sleep(5);
    }
    // 待条件成立后，执行后续的代码
}

当线程执行此函数时，会判断 x 的值是否等于 10，如果不等则间隔 5 秒后再重复判断，直到 x 的值等于 10 ，线程才能执行后续的代码。

直观上看，while 循环确实能够阻塞线程，但这种方法存在严重的效率问题。当线程因条件不成立进入等待状态时，如果此时恰好有另一个线程将 x 的值改为 10，该线程必须等待 5 秒后才能继续执行。如果我们将等待时间缩短（或者直接将 sleep(5) 注释掉），线程将反复判断 x 的值是否等于 10，它可能会一直霸占着 CPU 资源，导致其它线程无法执行，x 变量的值会出现“长时间不改变”的情况。

针对类似的场景，我们推荐您用条件变量来实现。和互斥锁、信号量类似，==条件变量本质也是一个全局变量，它的功能是阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号后，被阻塞的线程才能继续执行。==

一个条件变量可以阻塞多个线程，这些线程会组成一个等待队列。当条件成立时，条件变量可以解除线程的“被阻塞状态”。也就是说，条件变量可以完成以下两项操作：

阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号；
向等待队列中的一个或所有线程发送“条件成立”的信号，解除它们的“被阻塞”状态。

为了避免多线程之间发生“抢夺资源”的问题，条件变量在使用过程中必须和一个互斥锁搭配使用。

条件变量的具体用法

POSIX 标准中，条件变量用 pthread_cond_t 类型的变量表示，此类型定义在<pthread.h>头文件中。举个例子：

1 2	#include <pthread.h> pthread_cond_t myCond;

由此，我们就成功创建了一个条件变量。要想使用 myCond 条件变量，还需要进行初始化操作。

1) 初始化条件变量

初始化条件变量的方式有两种，一种是直接将 PTHREAD_COND_INITIALIZER 赋值给条件变量，例如：

1	pthread_cond_t myCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

还可以借助 pthread_cond_init() 函数初始化条件变量，语法格式如下：

1	int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond, const pthread_condattr_t * attr);

参数 cond 用于指明要初始化的条件变量；参数 attr 用于自定义条件变量的属性，通常我们将它赋值为 NULL，表示以系统默认的属性完成初始化操作。

pthread_cond_init() 函数初始化成功时返回数字 0，反之函数返回非零数。

当 attr 参数为 NULL 时，以上两种初始化方式完全等价。

2) 阻塞当前线程，等待条件成立

当条件不成立时，条件变量可以阻塞当前线程，所有被阻塞的线程会构成一个等待队列。

阻塞线程可以借助以下两个函数实现：

1 2	int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex); int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex, const struct timespec* abstime);

cond 参数表示已初始化好的条件变量；mutex 参数表示与条件变量配合使用的互斥锁；abstime 参数表示阻塞线程的时间。

注意，abstime 参数指的是绝对时间，例如您打算阻塞线程 5 秒钟，那么首先要得到当前系统的时间，然后再加上 5 秒，最终得到的时间才是传递的实参值。

调用两个函数之前，我们必须先创建好一个互斥锁并完成“加锁”操作，然后才能作为实参传递给 mutex 参数。两个函数会完成以下两项工作：

阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号；
当线程被添加到等待队列上时，将互斥锁“解锁”。

也就是说，函数尚未接收到“条件成立”的信号之前，它将一直阻塞线程执行。注意，当函数接收到“条件成立”的信号后，它并不会立即结束对线程的阻塞，而是先完成对互斥锁的“加锁”操作，然后才解除阻塞。

两个函数都以“原子操作”的方式完成“阻塞线程+解锁”或者“重新加锁+解除阻塞”这两个过程。所谓“原子操作”，即当有多个线程执行相同的某个过程时，虽然它们都会访问互斥锁和条件变量，但之间不会相互干扰。

以上两个函数都能用来阻塞线程，它们的区别在于：

pthread_cond_wait() 函数可以永久阻塞线程，直到条件变量成立的那一刻；
pthread_cond_timedwait() 函数只能在 abstime 参数指定的时间内阻塞线程，超出时限后，该函数将重新对互斥锁执行“加锁”操作，并解除对线程的阻塞，函数的返回值为 ETIMEDOUT。

如果函数成功接收到了“条件成立”的信号，重新对互斥锁完成了“加锁”并使线程继续执行，函数返回数字 0，反之则返回非零数。

POSIX 标准规定，pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_timedwait() 函数是可以作为“取消点”的函数。当线程接收到“强制终止执行”的信号后，执行到这两个函数时，线程就会终止执行。有关强制终止执行线程和“取消点”的具体含义，您可以阅读《线程间相互终止执行，这个坑千万别踩！》一文。

3) 解除线程的“阻塞”状态

对于被 pthread_cond_wait() 或 pthread_cond_timedwait() 函数阻塞的线程，我们可以借助如下两个函数向它们发送“条件成立”的信号，解除它们的“被阻塞”状态：

1 2	int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);

cond 参数表示初始化好的条件变量。当函数成功解除线程的“被阻塞”状态时，返回数字 0，反之返回非零数。

两个函数都能解除线程的“被阻塞”状态，区别在于：

pthread_cond_signal() 函数至少解除一个线程的“被阻塞”状态，如果等待队列中包含多个线程，优先解除哪个线程将由操作系统的线程调度程序决定；
pthread_cond_broadcast() 函数可以解除等待队列中所有线程的“被阻塞”状态。

由于互斥锁的存在，解除阻塞后的线程也不一定能立即执行。当互斥锁处于“加锁”状态时，解除阻塞状态的所有线程会组成等待互斥锁资源的队列，等待互斥锁“解锁”。

4) 销毁条件变量

对于初始化好的条件变量，我们可以调用 pthread_cond_destory() 函数销毁它。

pthread_cond_destory() 函数的语法格式如下：

1	int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

cond 参数表示要销毁的条件变量。如果函数成功销毁 cond 参数指定的条件变量，返回数字 0，反之返回非零数。

值得一提的是，销毁后的条件变量还可以调用 pthread_cond_init() 函数重新初始化后使用。

条件变量的实际应用

接下来，通过一个实例给您演示条件变量的具体用法。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//初始化互斥锁
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//初始化条件变量
pthread_cond_t myCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//设置全局变量
int x = 0;
//线程执行的函数
void * waitForTrue(void *args) {
    int res;
    //条件变量阻塞线程之前，先对互斥锁执行“加锁”操作
    res = pthread_mutex_lock(&myMutex);
    if (res != 0) {
        printf("waitForTrue 加锁失败\n");
        return NULL;
    }
    printf("------等待 x 的值为 10\n");
    if (pthread_cond_wait(&myCond, &myMutex) == 0) {	//遇到pthread_cond_wait 就会卡住，直到另一个线程遇到pthread_cond_signal，这里才会执行下一步
        printf("x = %d\n", x);
    }
    //最终将互斥锁解锁
    pthread_mutex_unlock(&myMutex);
    return NULL;
}
//线程执行的函数
void * doneForTrue(void *args) {
    int res;
    while (x != 10) {
        //对互斥锁执行“加锁”操作
        res = pthread_mutex_lock(&myMutex);
        if (res == 0) {
            x++;
            printf("doneForTrue：x = %d\n", x);
            sleep(1);
            //对互斥锁“解锁”
            pthread_mutex_unlock(&myMutex);
        }
    }
    //发送“条件成立”的信号，解除 mythread1 线程的“被阻塞”状态
    res = pthread_cond_signal(&myCond);
    if (res != 0) {
        printf("解除阻塞失败\n");
    }
    return NULL;
}
int main() {
    int res;
    pthread_t mythread1, mythread2;
    res = pthread_create(&mythread1, NULL, waitForTrue, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("mythread1线程创建失败\n");
        return 0;
    }
    res = pthread_create(&mythread2, NULL, doneForTrue, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("mythread2线程创建失败\n");
        return 0;
    }
    //等待 mythread1 线程执行完成
    res = pthread_join(mythread1, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("1：等待线程失败\n");
    }
    //等待 mythread2 线程执行完成
    res = pthread_join(mythread2, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("2：等待线程失败\n");
    }
    //销毁条件变量
    pthread_cond_destroy(&myCond);
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程如下：

[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
------等待 x 的值为 10
doneForTrue：x = 1
doneForTrue：x = 2
doneForTrue：x = 3
doneForTrue：x = 4
doneForTrue：x = 5
doneForTrue：x = 6
doneForTrue：x = 7
doneForTrue：x = 8
doneForTrue：x = 9
doneForTrue：x = 10
x = 10

程序中共创建了 2 个线程 mythread1 和 mythread2，其中 mythread1 线程借助条件变量实现了“直到变量 x 的值为 10 时，才继续执行后续代码”的功能，mythread1 线程用于将 x 的变量修改为 10，同时向 mythread1 线程发送“条件成立”的信号，唤醒 mythread1 线程并继续执行。

某一个线程遇到pthread_cond_wait 就会卡住，直到另一个线程遇到pthread_cond_signal，前一个线程这里才会继续执行下一步。

std::condition_variable::native_handle

https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable/native_handle

用于linux系统、posix系统

此函数结果的含义和类型是实现定义的。 POSIX 系统上，这可以是 pthread_cond_t* 类型值。 Windows 系统上，这可以是 PCONDITION_VARIABLE 。