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C++ 多线程：条件变量 std::condition_variable

编程日记 2024-04-28 16:00:00

文章目录

      • 描述
      • 使用

描述

  • 头文件<condition_variable>

  • 定义 class condition_variable;

  • 简介
    之前我们也已经介绍过了C++多线程中互斥变量存在，已经足够支持多线程中对共享普通系统数据的合理访问。但是因为多线程中同一时刻必然会有一个线程持有锁，一个线程等待锁。而在代码中使用while方式的循环等待必然会导致系统效率降低，cpu被无用消耗。
    查看如下代码

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <deque> //包含deque的头文件
using namespace std;std::mutex mu;
std::deque<int> q; //全局共享数据，双端队列void function_1(){int count = 100;while (count > 0) {std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);q.push_back(count);locker.unlock();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));count--;}
}void function_2() {int data = 0;while (data != 1) {std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);//获取到锁之后检测全局共享队列是否为空，如果不为空则执行出队操作if (!q.empty()) { data=q.back();q.pop_back();locker.unlock();std::cout << "t2 got a value from t1 " << data << std::endl; } else {//如果为空，则尝试解锁locker.unlock();//防止消耗cpu//std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); }}
}
int main()
{std::thread t1(function_1);std::thread t2(function_2);t1.join();t2.join();return 0;
}

    由以上代码可以很明显得看出来t1线程提供数据push_back（生产者），t2线程消费数据pop_back（消费者），这两个线程最合理得运行方式应该为生产者生产好数据，然后唤醒消费者去消费，消费完成之后继续休眠。

    但是在t2线程如果检测到全局队列为空，则会尝试解锁，但是在t1线程向全局队列push数据的时候t2线程仍然在尝试解锁，这样的操作会导致系统cpu资源被无端消耗，即消费者一直在等待着生产者生产。
    这个时候我们的条件变量即可出山,它能够比sleep_for函数使用起来更灵活

使用

在解决以上问题之前，先介绍几个条件变量包含的成员函数

  • std::condition_variable::notify_one和 std::condition_variable::notify_one通知一个等待线程，同时改函数作用在当前条件变量上
  • std::condition_variable::wait()导致当前线程阻塞直至条件变量被通知
    wait( std::unique_lock<std::mutex>)函数的实现方式是先原子解锁线程，将当前线程加入到线程的等待执行列表，当notify_one或者notify_all解锁阻塞线程之后，等待列表中的线程继续执行完毕，并重新加锁，最后退出wait()
    调用此函数之前必须保证当前函数已经被锁定,且这里使用的锁需为unique_lock,因为只有unique_lock才能够支持同一个线程的重复加解锁。
  • std::condition_variable::wait_for它的等待方式和wait的区别是增加了一个等待的时间，即除了等待notify_one解锁之外还会有一个时间阈值，当到了这个时间阈值时仍然会退出。wait_for( std::unique_lock<std::mutex>& lock, const std::chrono::duration<Rep, Period>& rel_time)

根据以上条件变量的成员函数，修改代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <deque>
#include <condition_variable>
using namespace std;std::mutex mu;
std::deque<int> q;
std::condition_variable cond;
/*
线程1使用了 notify_one函数，来用作通知等待线程处理事务。
*/
void function_1(){int count = 100;while (count > 0) {std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);q.push_back(count);locker.unlock();cond.notify_one();//如果环境中有多个等待线程，可以使用`notify_all()`同时触发std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));count--;}
}
/*
线程2是等待线程，且为了防止伪激活，这里等待线程同时加入了 lamda表达式来标示当
全局队列q也为空的时候线程2仍然处于等待状态。否则伪激活又会像上一套代码中的else
处理解锁消耗系统资源。
*/
void function_2() {int data = 0;while (data != 1) {std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);cond.wait(locker,[](){return !q.empty();});data=q.back();q.pop_back();locker.unlock();std::cout << "t2 got a value from t1 " << data << std::endl; }
}
int main()
{std::thread t1(function_1);std::thread t2(function_2);t1.join();t2.join();return 0;
}

输出如下

t2 got a value from t1 100
t2 got a value from t1 99
t2 got a value from t1 98
t2 got a value from t1 97
t2 got a value from t1 96
t2 got a value from t1 95
...
...

参考文章:
https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable
https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable/


https://www.dkcj.cn/info/5354.html

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