14 C++11线程同步之条件变量

在学习条件变量之前需要先了解下std::unique_lock;条件变量 condition_variable需要配合std::unique_lock使用；

std::unique_lock

std::unique_lock的详细细节参考此篇文章。

C11条件变量

条件变量是 C++11 提供的另外一种用于等待的同步机制，它能阻塞一个或多个线程，直到收到另外一个线程发出的通知或者超时时，才会唤醒当前阻塞的线程。条件变量需要和互斥量配合起来使用，C++11 提供了两种条件变量：

• condition_variable：需要配合std::unique_lockstd::mutex进行wait操作，也就是阻塞线程操作；
• condition_variable_any:可以和任意带有lock()、unlock()语意的mutex搭配使用：
  • std::mutex:独占的非递归互斥锁
  • std::timed_mutex:带超时的独占非递归互斥锁
  • std::recursive_mutex:不带超时功能的递归互斥锁
  • std::recursive_timed_mutex:带超时的递归互斥锁

1. condition_variable

1.1 成员函数

condition_variable的成员函数主要分为两部分：线程阻塞函数和线程通知函数，这些函数定于头文件。

// ①
void wait (unique_lock<mutex>& lck);
// ②
template <class Predicate>
void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);
//③
template <class Rep, class Period>
cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
                    const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
//④
template <class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for(unique_lock<mutex>& lck,
               const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);
//⑤
template <class Clock, class Duration>
cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
                      const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
//⑥
template <class Clock, class Duration, class Predicate>
bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
                 const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time, Predicate pred);
//⑦
void notify_one() noexcept;
//⑧
void notify_all() noexcept;                 
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函数①：调用该函数的线程直接被阻塞

函数②：该函数的第二个参数是一个判断条件，是一个返回值为布尔类型的函数

该参数可以传递一个有名函数的地址，也可以直接指定一个匿名函数
表达式返回false当前线程被阻塞，表达式返回true当前线程不会被阻塞，继续向下执行

函数③、④：
wait_for() 函数和 wait() 的功能是一样的，只不过多了一个阻塞时长，假设阻塞的线程没有被其他线程唤醒，当阻塞时长用完之后，线程就会自动解除阻塞，继续向下执行。
函数⑤、⑥：
wait_until() 函数和 wait_for() 的功能是一样的，它是指定让线程阻塞到某一个时间点，假设阻塞的线程没有被其他线程唤醒，当到达指定的时间点之后，线程就会自动解除阻塞，继续向下执行。

如果线程被该函数阻塞，这个线程会释放占有的互斥锁的所有权，当阻塞解除之后这个线程会重新得到互斥锁的所有权，继续向下执行（这个过程是在函数内部完成的，了解这个过程即可，其目的是为了避免线程的死锁）

函数⑦、⑧
notify_one()：唤醒一个被当前条件变量阻塞的线程
notify_all()：唤醒全部被当前条件变量阻塞的线程

eg：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

class SyncQueue
{
public:
    SyncQueue(int maxSize) :m_maxSize(maxSize) {}
    void put(const int& x)
    {
        unique_lock<mutex> locker(m_mutex);
        
        //while (m_queue.size() == m_maxSize)
        //{
        //    cout << "任务队列已满，请耐心等待..." << endl;
        //    m_notFull.wait(locker);
        //}

        m_notFull.wait(locker, [this]() { return m_maxSize != m_queue.size();});
        m_queue.push_back(x);
        cout << x << "被生产" << endl;
        m_notEmpty.notify_one();
    }

    int take()
    {
        unique_lock<mutex> locker(m_mutex);

        //while (m_queue.empty())
        //{
        //    cout << "任务队列已空，请耐心等待..." << endl;
        //    m_notEmpty.wait(locker);
        //}

        m_notEmpty.wait(locker, [this]() { return m_maxSize != m_queue.size(); });
        int x = m_queue.front();
        m_queue.pop_front();
        m_notFull.notify_one();
        cout << x << "被消费" << endl;
        return x;
    }

private:
    list<int> m_queue;
    mutex m_mutex;
    condition_variable m_notEmpty;
    condition_variable m_notFull;
    int m_maxSize;

};

int main()
{
    SyncQueue taskQ(50);
    auto produce = bind(&SyncQueue::put, &taskQ, placeholders::_1);
    auto consume = bind(&SyncQueue::take, &taskQ);
    thread t1[3];
    thread t2[3];
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        t1[i] = thread(produce, i + 100);
        t2[i] = thread(consume);
    }

    for (int i = 0; i < 3; ++i)
    {
        t1[i].join();
        t2[i].join();
    }
    system("pause");
    return 0;
}   

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2. condition_variable_any

condition_variable_any 用法与condition_variable类似，区别如下：
condition_variable 配合 unique_lock 使用更灵活一些，可以在在任何时候自由地释放互斥锁，而 condition_variable_any 如果和 lock_guard 一起使用必须要等到其生命周期结束才能将互斥锁释放。但是，condition_variable_any 可以和多种互斥锁配合使用，应用场景也更广，而 condition_variable 只能和独占的非递归互斥锁（mutex）配合使用，有一定的局限性。

具体用法参考该文章

3. 案例

看下LeetCode上一个题，用条件变量来解：
给你一个类：