c++多线程为何要使用条件变量详解

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我是靠谱客的博主传统台灯，最近开发中收集的这篇文章主要介绍c++多线程为何要使用条件变量详解，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

先看示例1：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
using namespace std;


int nmax = 20;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;


//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();
		i++;
	}

	cout << "product thread exitn";
}

//消费者
void consumerex()
{
	int i = 0;
	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		if (!m_que.empty())
		{
			int i = m_que.back();
			m_que.pop_back();
			cout << "consumed:" << i << endl;
			lcx.unlock();
			i++;
			if (i == nmax)
			{
				
				break;
			}
		}
		else
		{
			lcx.unlock();
		}
		
		
	}

	cout << "consumerex thread exitn";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!n";
	getchar();
	system("pause");
}

结果：

可见cpu使用率非常高。高的原因主要在消费者线程中，因为当队列为空的时候它也要执行，做了过多的无用功导致CPU占有率过高，所以下面对进行一个改造让其在空的时候等待200毫秒，相当于增大了轮询间隔周期，应该能降低CPU的占用率。

在这里就贴上消费者的线程，因为其它的都一样。

//消费者
void consumerex()
{
	int i = 0;
	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		if (!m_que.empty())
		{
			int i = m_que.back();
			m_que.pop_back();
			cout << "consumed:" << i << endl;
			lcx.unlock();
			i++;
			if (i == nmax)
			{
				
				break;
			}
		}
		else
		{
			lcx.unlock();
			std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
		}
		
		
	}

	cout << "consumerex thread exitn";
}

结果：

可见CPU占用率一下子下降了。

这里就有一个困难了，那就是如何确定休眠的时间间隔（即轮询间隔周期），如果间隔太短会过多占用CPU资源，如果间隔太长会因无法及时响应造成延误。

这就引入了条件变量来解决该问题：条件变量使用“通知—唤醒”模型，生产者生产出一个数据后通知消费者使用，消费者在未接到通知前处于休眠状态节约CPU资源；当消费者收到通知后，赶紧从休眠状态被唤醒来处理数据，使用了事件驱动模型，在保证不误事儿的情况下尽可能减少无用功降低对资源的消耗。

condition_variable介绍
在C++11中，我们可以使用条件变量（condition_variable）实现多个线程间的同步操作；当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。

成员函数如下：

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：

a.一个线程因等待"条件变量的条件成立"而挂起；

b.另外一个线程使"条件成立"，给出信号，从而唤醒被等待的线程。

为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起；通常情况下这个锁是std::mutex，并且管理这个锁只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板类。

上面提到的两个步骤，分别是使用以下两个方法实现：

1.等待条件成立使用的是condition_variable类成员wait 、wait_for 或 wait_until。

2.给出信号使用的是condition_variable类成员notify_one或者notify_all函数。

以上两个类型的wait函数都在会阻塞时，自动释放锁权限，即调用unique_lock的成员函数unlock（），以便其他线程能有机会获得锁。这就是条件变量只能和unique_lock一起使用的原因，否则当前线程一直占有锁，线程被阻塞。

虚假唤醒

在正常情况下，wait类型函数返回时要不是因为被唤醒，要不是因为超时才返回，但是在==实际中发现，因此操作系统的原因，wait类型在不满足条件时，它也会返回，这就导致了虚假唤醒。==因此，我们一般都是使用带有谓词参数的wait函数，因为这种(xxx, Predicate pred )类型的函数等价于：

while (!pred()) //while循环，解决了虚假唤醒的问题
{
    wait(lock);
}

原因说明如下：

假设系统不存在虚假唤醒的时，代码形式如下：

if (不满足xxx条件)
{
    //没有虚假唤醒，wait函数可以一直等待，直到被唤醒或者超时，没有问题。
    //但实际中却存在虚假唤醒，导致假设不成立，wait不会继续等待，跳出if语句，
    //提前执行其他代码，流程异常
    wait();  
}


//其他代码
...

正确的使用方式，使用while语句解决：

while (!(xxx条件) )
{
    //虚假唤醒发生，由于while循环，再次检查条件是否满足，
    //否则继续等待，解决虚假唤醒
    wait();  
}
//其他代码
....

下面看一个使用条件变量的情况：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;


int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;

condition_variable mycv;

//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();

		mycv.notify_one();
		i++;
	}

	cout << "product thread exitn";
}

//消费者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
	int i = 0;
	bool m_bexit = false;
	while (!m_bexit)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);

		while (m_que.empty())
		{
			//避免虚假唤醒
			mycv.wait(lcx);
			if (m_bflag)
			{
				cout << "consumerex thread exitn";
				m_bexit = true;
				break;

			}
		}
	
		
		if (m_bexit)
		{
			break;
		}
			
		int i = m_que.back();
		m_que.pop_back();
		lcx.unlock();
		cout << "consumed:" << i << endl;		
	}

	cout << "consumerex thread exitn";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!n";
	mycv.notify_one();
	Sleep(15000);
	m_que.push_back(100);
	mycv.notify_one();
	Sleep(3000);
	m_bflag = true;
	mycv.notify_one();//通知线程退出
	getchar();
	system("pause");
}

结果：

还可以将mycv.wait(lcx);换一种写法，wait()的第二个参数可以传入一个函数表示检查条件，这里使用lambda函数最为简单，如果这个函数返回的是true，wait()函数不会阻塞会直接返回，如果这个函数返回的是false，wait()函数就会阻塞着等待唤醒，如果被伪唤醒，会继续判断函数返回值。代码示例如下：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;


int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;

condition_variable mycv;

//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();

		mycv.notify_one();
		i++;
	}

	cout << "product thread exitn";
}

//消费者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
	int i = 0;

	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);

		mycv.wait(lcx, [](){

			//返回false就继续等待
			return !m_que.empty();
		});
				
		if (m_bflag)
		{
			break;
		}
		int i = m_que.back();
		m_que.pop_back();
		lcx.unlock();
		cout << "consumed:" << i << endl;
	
		
	}

	cout << "consumerex thread exitn";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!n";
	mycv.notify_one();
	Sleep(15000);
	m_que.push_back(100);
	mycv.notify_one();
	Sleep(3000);
	m_bflag = true;
	m_que.push_back(-1);
	mycv.notify_one();//通知线程退出
	getchar();
	system("pause");
}