C++(14): STL条件变量std::condition_variable

1. 简述

        在C++的标准模板库（STL）中，std::condition_variable是一个非常重要的同步原语，用于在多线程编程中实现线程间的条件同步。它允许一个或多个线程等待某个条件成立，当条件成立时，等待的线程会被唤醒并继续执行。

2. 基本概念

        std::condition_variable通常与std::mutex一起使用，用于保护共享数据并同步线程。在多线程环境中，多个线程可能同时访问和修改共享数据，这可能导致数据不一致或其他不可预测的行为。std::mutex用于确保在任何时候只有一个线程可以访问共享数据，而std::condition_variable则用于在特定条件下唤醒等待的线程。

3. 条件变量的工作原理

        条件变量允许线程在某些条件不满足时挂起（等待），并在条件变为真时被唤醒。这通常涉及到以下三个步骤：

等待条件

线程在进入临界区后，检查条件是否满足。如果不满足，线程会释放互斥锁并进入等待状态。

通知其他线程

        当条件可能已经变为真的事件发生时，另一个线程会通知等待的线程。

重新检查条件

        被通知的线程重新获取互斥锁，并重新检查条件。如果条件仍然不满足，线程可能会再次等待。

4. 主要函数

        std::condition_variable提供了几个主要的成员函数，用于实现线程间的条件同步：

wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock)

        使当前线程进入等待状态，直到另一个线程调用notify_one()或notify_all()。在等待期间，lock参数指定的互斥锁会被自动释放，允许其他线程访问共享数据。当线程被唤醒时，互斥锁会再次被锁定。

wait_for(std::unique_lock<std::mutex>& lock, std::chrono::duration<Rep, Period> rel_time)

        与wait()类似，但允许指定一个超时时间。如果超时时间到达而条件仍未成立，线程将停止等待并继续执行。

wait_until(std::unique_lock<std::mutex>& lock, std::chrono::time_point<Clock, Duration> abs_time)

        与wait_for()类似，但允许指定一个绝对时间作为超时时间。

notify_one()

        唤醒等待在condition_variable上的一个线程（如果有的话）。

notify_all()

        唤醒等待在condition_variable上的所有线程。

        std::condition_variable 的 wait、notify_one 和 notify_all 函数都要求在调用时拥有互斥锁的所有权。std::unique_lock 通过提供对互斥锁的独占控制，确保了这些条件变量函数能够安全地与锁的获取和释放配合工作。

使用 std::unique_lock 包装 std::mutex 是为了确保线程安全、简化资源管理、防止死锁，并与条件变量正确配合。

5. 例程

        在这个程序里，我们的条件就是ready变量变为true，然后再执行其他操作。

#include <iostream>  #include <thread>  #include <mutex>  #include <condition_variable>  std::mutex mtx;  std::condition_variable cv;  bool ready = false;  void print_id(int id) {  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);  /** 如果条件不满足，则等待. */while (!ready) {cv.wait(lck); ///< 等待、阻塞}/** 执行其他操作. */}  void Signal() {  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);  ready = true;  ///< 设置条件为true  cv.notify_all();  ///< 唤醒所有等待的线程  }  int main(int argc, char* argv[]){std::thread threads[10];  /** 发起10个线程. */  for (int i = 0; i < 10; ++i)  threads[i] = std::thread(print_id, i);  std::cout << "10 threads ready to race...\n";  Signal(); ///< 唤醒线程，继续执行.for (auto& th : threads){th.join();}return 0;  }