C++11 条件变量

目录

条件变量

1 成员函数 

wait函数

wait_for函数

wait_until函数

notify_one函数

notify_all函数

2 Demo1

sync_queue.h

condition-sync-queue.cpp

3 Demo2

2-sync_queue.h

2-condition-sync-queue.cpp

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条件变量

        互斥量是多线程间同时访问某一共享变量时，保证变量可被安全访问的手段。但单靠互斥量无法实现线程的同步。

        线程同步是指线程间按照预定的先后次序顺序进行的行为。

      C++11对这种行为也提供了有力的支持，这就是条件变量。条件变量位于头文件condition_variable下。

http://www.cplusplus.com/reference/condition_variable/condition_variable

条件变量使用过程：

1. 拥有条件变量的线程获取互斥量；

2. 循环检查某个条件，如果条件不满足则阻塞直到条件满足；如果条件满足则向下执行；

3. 某个线程满足条件执行完之后调用notify_one或notify_all唤醒一个或者所有等待线程。

条件变量提供了两类操作：wait和notify。这两类操作构成了多线程同步的基础。

1 成员函数 

wait函数

函数原型
 
void wait (unique_lock<mutex>& lck);
 
template <class Predicate>
 
void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

包含两种重载，第一种只包含unique_lock对象，另外一个Predicate 对象（等待条件），这里必须使用unique_lock，因为wait函数的工作原理：
1.当前线程调用wait()后将被阻塞并且函数会解锁互斥量，直到另外某个线程调用notify_one或者notify_all唤醒当前线程；一旦当前线程获得通知(notify)，wait()函数也是自动调用lock()，同理不能使用lock_guard对象。

2.如果wait没有第二个参数，第一次调用默认条件不成立，直接解锁互斥量并阻塞到本行，直到某一个线程调用notify_one或notify_all为止，被唤醒后，wait重新尝试获取互斥量，如果得不到，线程会卡在这里，直到获取到互斥量，然后无条件地继续进行后面的操作。

3.如果wait包含第二个参数，如果第二个参数不满足，那么wait将解锁互斥量并堵塞到本行，直到某一个线程调用notify_one或notify_all为止，被唤醒后，wait重新尝试获取互斥量，如果得不到，线程会卡在这里，直到获取到互斥量，然后继续判断第二个参数，如果表达式为false，wait对互斥量解锁，然后休眠，如果为true，则进行后面的操作。

wait_for函数

函数原型：
template <class Rep, class Period>
cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
 
template <class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);

        和wait不同的是，wait_for可以执行一个时间段，在线程收到唤醒通知或者时间超时之前，该线程都会处于阻塞状态，如果收到唤醒通知或者时间超时，wait_for返回，剩下操作和wait类似。 

wait_until函数

函数原型：
template <class Clock, class Duration>
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,const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time,Predicate pred);

        与wait_for类似，只是wait_until可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点超时之前，该线程都会处于阻塞状态。如果超时或者收到唤醒通知，wait_until返回，剩下操作和wait类似

notify_one函数

函数原型：
void notify_one() noexcept;

解锁正在等待当前条件的所有线程，如果没有正在等待的线程，则函数不执行任何操作。

notify_all函数

函数原型：
void notify_one() noexcept;

解锁正在等待当前条件的所有线程，如果没有正在等待的线程，则函数不执行任何操作。

 

2 Demo1

使用条件变量实现一个同步队列，同步队列作为一个线程安全的数据共享区，经常用于线程之间数据读取。 

sync_queue.h

#ifndef SYNC_QUEUE_H
#define SYNC_QUEUE_H
#include<list>
#include<mutex>
#include<thread>
#include<condition_variable>
#include <iostream>
 
template<typename T>
class SyncQueue
{
private:
    bool IsFull() const
    {
        return _queue.size() == _maxSize;
    }
 
    bool IsEmpty() const
    {
        return _queue.empty();
    }
 
public:
    SyncQueue(int maxSize) : _maxSize(maxSize)
    {
    }
 
    void Put(const T& x)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
 
        while (IsFull())
        {
            std::cout << "full wait... size " << _queue.size()  << std::endl;
            _notFull.wait(_mutex);
        }
 
        _queue.push_back(x);
        _notEmpty.notify_one();
    }
 
    void Take(T& x)
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
 
        while (IsEmpty())
        {
            std::cout << "empty wait.." << std::endl;
            _notEmpty.wait(_mutex);
        }
 
        x = _queue.front();
        _queue.pop_front();
        _notFull.notify_one();
    }
 
    bool Empty()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
        return _queue.empty();
    }
 
    bool Full()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
        return _queue.size() == _maxSize;
    }
 
    size_t Size()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
        return _queue.size();
    }
 
    int Count()
    {
        return _queue.size();
    }
 
private:
    std::list<T> _queue;                  //缓冲区
    std::mutex _mutex;                    //互斥量和条件变量结合起来使用
    std::condition_variable_any _notEmpty;//不为空的条件变量
    std::condition_variable_any _notFull; //没有满的条件变量
    int _maxSize;                         //同步队列最大的size
};
#endif // SYNC_QUEUE_H

condition-sync-queue.cpp

#include <iostream>
#include "3-1-sync_queue.h"
 
#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;
SyncQueue<int> syncQueue(5);
 
void PutDatas()
{
    for (int i = 0; i < 20; ++i)
    {
        syncQueue.Put(i);
    }
    std::cout << "PutDatas finish\n";
}
 
void TakeDatas()
{
    int x = 0;
 
    for (int i = 0; i < 20; ++i)
    {
        syncQueue.Take(x);
        std::cout << x << std::endl;
    }
    std::cout << "TakeDatas finish\n";
}
 
int main(void)
{
    std::thread t1(PutDatas);  // 生产线程
    std::thread t2(TakeDatas); // 消费线程
 
    t1.join();
    t2.join();
 
    std::cout << "main finish\n";
    return 0;
}

代码中用到了std::lock_guard，它利用RAII机制可以保证安全释放mutex

std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
while (IsFull())
{
    std::cout << "full wait..." << std::endl;
    _notFull.wait(_mutex);
}

可以改成 

std::lock_guard<std::mutex> locker(_mutex);
_notFull.wait(_mutex， [this] {return !IsFull();});

        两种写法效果是一样的，但是后者更简洁，条件变量会先检查判断式是否满足条件，如果满足条件则重新获取mutex，然后结束wait继续往下执行；如果不满足条件则释放mutex，然后将线程置为waiting状态继续等待。

        这里需要注意的是，wait函数中会释放mutex，而lock_guard这时还拥有mutex，它只会在出了作用域之后才会释放mutex，所以这时它并不会释放，但执行wait时会提前释放mutex。

        从语义上看这里使用lock_guard会产生矛盾，但是实际上并不会出问题，因为wait提前释放锁之后会处于等待状态，在被notify_one或者notify_all唤醒后会先获取mutex，这相当于lock_guard的mutex在释放之后又获取到了，因此，在出了作用域之后lock_guard自动释放mutex不会有问题。这里应该用unique_lock，因为unique_lock不像lock_guard一样只能在析构时才释放锁，它可以随时释放锁，因此在wait时让unique_lock释放锁从语义上更加准确。

        使用unique_lock和condition_variable_variable改写，改写为用等待一个判断式的方法来实现一个简单的队列。 

 

3 Demo2

2-sync_queue.h

#ifndef SIMPLE_SYNC_QUEUE_H
#define SIMPLE_SYNC_QUEUE_H
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
template<typename T>
class SimpleSyncQueue
{
public:
    SimpleSyncQueue(){}
 
    void Put(const T& x)
    {
        std::lock_guard locker(_mutex);
        _queue.push_back(x);
        _notEmpty.notify_one();
    }
 
    void Take(T& x)
    {
        std::unique_lock locker(_mutex);
        _notEmpty.wait(locker, [this]{return !_queue.empty(); });
 
        x = _queue.front();
        _queue.pop_front();
    }
 
    bool Empty()
    {
        std::lock_guard locker(_mutex);
        return _queue.empty();
    }
 
    size_t Size()
    {
        std::lock_guard locker(_mutex);
        return _queue.size();
    }
 
private:
    std::list _queue;
    std::mutex _mutex;
    std::condition_variable _notEmpty;
};
#endif // SIMPLE_SYNC_QUEUE_H

2-condition-sync-queue.cpp

#include <iostream>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
 
#include "3-2-sync_queue2.h"
 
using namespace std;
SimpleSyncQueue<int> syncQueue;
 
void PutDatas()
{
    for (int i = 0; i < 20; ++i)
    {
        syncQueue.Put(888);
    }
}
 
void TakeDatas()
{
    int x = 0;
 
    for (int i = 0; i < 20; ++i)
    {
        syncQueue.Take(x);
        std::cout << x << std::endl;
    }
}
 
int main(void)
{
    std::thread t1(PutDatas);
    std::thread t2(TakeDatas);
 
    t1.join();
    t2.join();
 
     std::cout << "main finish\n";
    return 0;
}