【并发编程十】c++线程同步——条件变量（condition_variable）
简介：
本篇文章，我们详细的介绍下c++标准库提供的线程同步方法——条件变量（condition_variable）。
一、互斥
二、条件变量
1、为何要引入条件变量?
- 例子
在一条生产线上有一个仓库，当生产者生产时需要锁住仓库独占，而消费者去产品时也需要锁住仓库独占。
如果，生产者发现仓库满了，那么他就不能生产了，编程了阻塞状态。但是此时生产者独占仓库，消费者又无法进入仓库消耗产品，这样就造成了一个僵死的状态。
我们需要一种机制，当互斥量被锁住以后发现当前线程还是无法完成自己的操作，那么它应该释放互斥量，让其他线程哦工作。
- 1、可以采用轮询的方式，不停的查询你需要的条件。
- 2、让系统来帮你查询条件，使用条件变量。
2、不使用条件变量
- demo
#include<iostream>
#include <thread>
#include<mutex>
#include<deque>
#include<chrono>
using namespace std;
mutex mtx;
deque<int> q;
//线程A,producer
void task1()
{
int i = 0;
while(true)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
if (q.size() < 1000)
{
if (i < 999)
{
q.push_back(i);
i++;
}
else
{
i = 0;
}
}
else
{
// std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));;
}
}
}
//线程B,consumer
void task2()
{
int da = 0;
while (true)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
if (!q.empty())
{
da = q.front();
q.pop_front();
cout << "get value from que:" << da << endl;
cout << "que.size:" << q.size()<<endl;
}
}
}
int main()
{
cout << "que.size:" << q.size() << endl;
thread t2(task2);
thread t1(task1);
t1.join();
t2.join();
}- 输出
3、使用条件变量
3.1、互斥锁有什么问题？
- 尝试获取锁的人会一直等待，浪费cpu资源。（功耗和性能浪费）
3.2、条件变量
- 提供睡眠/唤醒机制，避免无意义的等待。
条件变量是允许多个线程相互交流的同步原语。它允许一定量的线程等待（可以定时）另一线程的提醒，然后再继续。条件变量始终关联到一个互斥。
定义于头文件 <condition_variable>
3.3、条件变量成员函数
- 通知
| 通知成员函数 | 解释 |
|---|---|
| notify_one | 通知一个等待的线程(公开成员函数) |
| notify_all | 通知所有等待的线程(公开成员函数) |
- 等待
| 等待成员函数 | 解释 |
|---|---|
| wait | 阻塞当前线程，直到条件变量被唤醒(公开成员函数) |
| wait_for | 阻塞当前线程，直到条件变量被唤醒，或到指定时限时长后(公开成员函数) |
| wait_until | 阻塞当前线程，直到条件变量被唤醒，或直到抵达指定时间点(公开成员函数) |
简单说下，如果是新人，简单理解wait和notify_one两个函数就行了，基本就明白了条件变量的原理，如下面的demo，wait就是等待notify的通知后再执行
3.4、demo
#include<iostream>
#include <thread>
#include<mutex>
#include<deque>
#include<chrono>
#include<condition_variable>
using namespace std;
mutex mtx;
deque<int> q;
condition_variable cv;
//线程A,producer
void task1()
{
int i = 0;
while(true)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
if (q.size() < 1000)
{
if (i < 99)
{
q.push_back(i);
cv.notify_one();//cv.notify_all();
i++;
}
else
{
i = 0;
}
}
else
{
cv.notify_one();
//std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));;
}
}
}
//线程B,consumer
void task2()
{
int da = 0;
while (true)
{
unique_lock<mutex> lock(mtx);
if (q.empty())//如果有多个消费者，此处应该为while(q.empty())
{
cv.wait(lock);
}
da = q.front();
q.pop_front();
cout << "get value from que:" << da << endl;
cout << "que.size:" << q.size() << endl;
}
}
int main()
{
cout << "que.size:" << q.size() << endl;
thread t2(task2);
thread t1(task1);
t1.join();
t2.join();
}- 输出
- cpu占用率
3.4、总结
- 使用条件变量的意义在于，消费者在没有可消费的产品时，采用休眠，而非无意义的空转，浪费cpu的计算资源。
参考：
1、https://www.apiref.com/cpp-zh/cpp/thread.html
2、https://en.cppreference.com/w/cpp/thread
3、书籍《c++服务器开发精髓》——张远龙