线程间同步互斥（3）条件变量使用

墨蓝 2023-10-07 14:31 15阅读 0赞

今来看看**条件变量**的使用！！！

与互斥锁不同，条件变量是**用来等待**而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直 到某特殊情况发生为止。**通常条件变量和互斥锁同时使用**。

条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。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：

> 一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起  
> 另一个线程使 “条件成立”（给出条件成立信号）

条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量 可以被用来实现这两进程间的线程同步。

**条件变量使用步骤：**

1. 初始化：init()或者pthread\_cond\_tcond=PTHREAD\_COND\_INITIALIER；属性置为NULL；

2. 等待条件成立：pthread\_wait，pthread\_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真 timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)；

3. 激活条件变量：pthread\_cond\_signal,pthread\_cond\_broadcast(激活所有等待线程)

4. 清除条件变量：destroy;无线程等待,否则返回EBUSY清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

#include <pthread.h>
    // 初始化条件变量
    int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
    
    // 阻塞等待
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
    
    // 超时等待
    int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
    
    // 解除所有线程的阻塞
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
    
    // 至少唤醒一个等待该条件的线程
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    
    // 唤醒等待该条件的所有线程
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

接下来举个例子：

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    //节点结构体
    struct msg
    {
        int num; //数据区
        struct msg *next; //链表区
    };
     
    struct msg *head = NULL;//头指针
    struct msg *mp = NULL;  //节点指针
    //利用宏定义的方式初始化全局的互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
     
    void *producter(void *arg)
    {
        while (1) 
    	{
            mp = malloc(sizeof(struct msg));
            mp->num = rand() % 400 + 1;
            printf("---producted---%d\n", mp->num);
     
            pthread_mutex_lock(&mutex);//访问共享区域必须加锁
            mp->next = head;
            head = mp;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
     
            pthread_cond_signal(&has_product);//通知消费者来消费
    		
            sleep(rand() % 3);
        }
     
        return NULL;
    }
     
    void *consumer(void *arg)
    {
        while (1)
    	{
            pthread_mutex_lock(&mutex);//访问共享区域必须加锁
            while (head == NULL)//如果共享区域没有数据，则解锁并等待条件变量
    	{
                pthread_cond_wait(&has_product, &mutex);
            }
            mp = head;
            head = mp->next;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
     
            printf("------------------consumer--%d\n", mp->num);
            free(mp); //释放被删除的节点内存
            mp = NULL;//并将删除的节点指针指向NULL，防止野指针
    		
            sleep(rand() % 3);
        }
     
        return NULL;
    }
     
    int main(void)
    {
        pthread_t ptid, ctid;
     
        //创建生产者和消费者线程
        pthread_create(&ptid, NULL, producter, NULL);
        pthread_create(&ctid, NULL, consumer, NULL);
        //主线程回收两个子线程
        pthread_join(ptid, NULL);
        pthread_join(ctid, NULL);
     
        return 0;
    }

相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争，提高效率。

在上边这个例子中有两点注意：

**1、为什么pthread\_cond\_wait需要加锁？？**

> pthread\_cond\_wait中的mutex用于保护条件变量，调用这个函数进行等待条件的发生时,mutex会被自动释放，以供其它线程（生产者）改变条件，pthread\_cond\_wait中的两个步骤必须是原子性的，也就是说必须把把调用线程放到条件等待队列上和释放mutex两个步骤捆绑到一起。  
> 不然上面的两个步骤中间就可能插入其它操作。比如，如果先释放mutex，这时候生产者线程向队列中添加数据，然后signal,之后消费者线程才去『把调用线程放到等待队列上』，signal信号就这样被丢失了。  
> 如果先把调用线程放到条件等待队列上，这时候另外一个线程发送了pthread\_cond\_signal（我们知道这个函数的调用是不需要mutex的），然后调用线程立即获取mutex，两次获取mutex会产生deadlock.

**2、为什么pthread\_cond\_wait前边的判断要用while，不用if？？**

> 这是因为可能会存在虚假唤醒”spurious wakeup”的情况。也就是说，即使没有线程调用condition\_signal, 原先调用condition\_wait的函数也可能会返回。此时线程被唤醒了，但是条件并不满足，这个时候如果不对条件进行检查而往下执行，就可能会导致后续的处理出现错误。  
> 虚假唤醒在linux的多处理器系统中/在程序接收到信号时可能回发生。在Windows系统和JAVA虚拟机上也存在。在系统设计时应该可以避免虚假唤醒，但是这会影响条件变量的执行效率，而既然通过while循环就能避免虚假唤醒造成的错误，因此程序的逻辑就变成了while循环的情况。