CPP——并发编程（四）condition_variable

Posted on Edited on In

到目前为止介绍的并发过程都是类似于去“争夺”控制，也就是只要有机会就去上，但是有时候我们会遇到那种等待的情况，达到某个条件了才能运行，这时候就需要用条件变量（condition_variable）。

关于条件变量的内容都在头文件中。它包含了std::condition_variable，std::condition_variable_any，还有枚举类型std::cv_status，函数std::notify_all_at_thread_exit()。这篇文章会介绍上面这些类以及函数的作用。

std::condition_variable

condition_variable的设定是这样的，它调用wait函数，使用unique_lock锁住当前线程，表明条件还未满足，这时候当前线程会被阻塞，直到另外一个线程在相同的condition_variable变量上调用了notification相关的函数，说明条件满足，则开始运行。

condition_variable只有默认构造函数，拷贝构造函数被删除。下面介绍它其他的成员函数。

wait

condition_variable有两个wait函数的重载。

1
2
3
 
void wait (unique_lock<mutex>& lck);// unconditional
template <class Predicate> //predicate
  void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

wait接受一个参数，类型是unique_lock，调用wait函数后，当前线程被阻塞（当前线程已经获得了mutex的控制权，也就是mutex已经被锁住了），直到该condition_variable变量被notify之后，才能继续运行wait之后的内容。当线程被阻塞时，wait会调用unique_lock的unlock对mutex进行解锁，使得其他的线程可以占用mutex。当被notify之后，wait会调用lock来继续锁住mutex（如果此时被占用，当前线程继续被阻塞）。

对于predicate的wait，只有当predicate条件为false时候调用wait才会阻塞当前线程，并且只有当其他的线程通知predicate为true时才会解除阻塞，相当于又多了一个条件。predicate是一个callable的对象，不接受参数，并且能返回值可以转化成bool值。相当于：

1
 
while (!pred()) wait(lck);

wait_for

wait_for与wait一样，也有两个重载。

1
2
3
4
5
6
 
template <class Rep, class Period>//unconditional
  cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
                      const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
template <class Rep, class Period, class Predicate>//predicate
       bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
                      const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);

wait_for和wait的区别在于它会接受一个时间段，在当前线程收到通知，或者在指定的时间内，它都会阻塞，当超时，或者收到了通知达到条件，wait_for返回，剩下的和wait一致。

wait_until

wait_until和wait_for类似，只不过时间范围被替换成了时间点。

1
2
3
4
5
6
7
 
template <class Clock, class Duration>//unconditional
  cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
                        const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
template <class Clock, class Duration, class Predicate>
       bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck,//predicate
                        const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time,
                        Predicate pred);

notify_one

唤醒某个等待线程，如果没有线程在等待，那么这个函数什么也不做，如果有多个线程等待，唤醒哪个线程是随机的。

notify_all

唤醒所有的等待线程。

std::condition_variable_any

condition_variable_any和condition_variable的区别是wait接受的锁是任意的，而condition_variable只能接受unique_lock。

std::cv_status

这个枚举类型仅仅枚举了两个状态，标志着wait_for或者wait_until是否是因为超时解除阻塞的。

值 描述
cv_status::no_timeout wait_for 或者 wait_until 没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知
cv_status::timeout wait_for 或者 wait_until 超时

std::notify_all_at_thread_exit

notify_all_at_thread_exit是一个函数，原型如下：

1
 
void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock<mutex> lck);

当调用该函数的线程结束时，所有在cond上等待的线程都会收到通知。

总体来说，条件变量的相关内容还是很容易理解的。现在研究一下下面的代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
 
#include <iostream>                // std::cout
#include <thread>                // std::thread
#include <mutex>                // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable>    // std::condition_variable

std::mutex mtx; // global mutex
std::condition_variable cv; // global condition variable.
bool ready = false; // global flag.

void do_print_id(int id)
{
    std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
    if (!ready) 
        cv.wait(lck); 
    std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go()
{
    std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all(); 
}

int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        threads[i] = std::thread(do_print_id, i);

    std::cout << "10 threads ready to race...\n";
    go(); // go!

  for (auto & th:threads)
        th.join();

    return 0;
}

10个线程被发出去后，都会因为ready是false而被wait阻塞，当ready为true时，唤醒了所有的线程，这时候线程之间的控制就又转成了对互斥量mutex的控制，因此输出顺序是不一致的。可能输出如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
 
10 threads ready to race...
thread 7
thread 3
thread 1
thread 9
thread 4
thread 5
thread 6
thread 8
thread 2
thread 0