使用條件變量的坑你知道嗎

本文內(nèi)容簡(jiǎn)介：

條件變量是多線(xiàn)程程序中用來(lái)實(shí)現(xiàn)等待和喚醒邏輯常用的方法。通常有wait和notify兩個(gè)動(dòng)作，wait用于阻塞掛起線(xiàn)程A，直到另一個(gè)線(xiàn)程B通過(guò)通過(guò)notify喚醒線(xiàn)程A，喚醒后線(xiàn)程A會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

條件變量在多線(xiàn)程中很常用，在有名的生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題中，消費(fèi)者如何知道生成者是否生產(chǎn)出了可以消費(fèi)的產(chǎn)品，通過(guò)while循環(huán)不停的去判斷是否有可消費(fèi)的產(chǎn)品？眾所周知，死循環(huán)極其消耗CPU性能，所以需要使用條件變量來(lái)阻塞線(xiàn)程，降低CPU占用率。

拿生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題舉例，看下面這段代碼：

std::mutex mutex;std::condition_variable cv;std::vector<int> vec;
void Consume() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); cv.wait(lock); std::cout << "consume " << vec.size() << "\n";}
void Produce() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); vec.push_back(1); cv.notify_all(); std::cout << "produce \n";}
int main() { std::thread t(Consume); t.detach(); Produce(); return 0;}

本意是消費(fèi)者線(xiàn)程阻塞，等待生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)后去通知消費(fèi)者線(xiàn)程，這樣消費(fèi)者線(xiàn)程就可以拿到數(shù)據(jù)去消費(fèi)。

但這里有個(gè)問(wèn)題：

如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？可以附加一個(gè)判斷條件，就可以解決這種信號(hào)丟失問(wèn)題，見(jiàn)代碼：

std::mutex mutex;std::condition_variable cv;std::vector<int> vec;
void Consumer() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); if (vec.empty()) { // 加入此判斷條件 cv.wait(lock); } std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";}
void Produce() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); vec.push_back(1); cv.notify_all(); std::cout << "produce \n";}
int main() { std::thread t(Consumer); t.detach(); Produce(); return 0;}

通過(guò)增加附加條件可以解決信號(hào)丟失的問(wèn)題，但這里還有個(gè)地方需要注意，消費(fèi)者線(xiàn)程處于wait阻塞狀態(tài)時(shí)，即使沒(méi)有調(diào)用notify，操作系統(tǒng)也會(huì)有一些概率會(huì)喚醒處于阻塞的線(xiàn)程，使其繼續(xù)執(zhí)行下去，這就是虛假喚醒問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)了虛假喚醒后，消費(fèi)者線(xiàn)程繼續(xù)執(zhí)行，還是沒(méi)有可以消費(fèi)的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了bug。 

那怎么解決虛假喚醒的問(wèn)題呢，可以在線(xiàn)程由阻塞狀態(tài)被喚醒后繼續(xù)判斷附加條件，看是否滿(mǎn)足喚醒的條件，如果滿(mǎn)足則繼續(xù)執(zhí)行，如果不滿(mǎn)足，則繼續(xù)去等待，體現(xiàn)在代碼中，即將if判斷改為while循環(huán)判斷，見(jiàn)代碼：

std::mutex mutex;std::condition_variable cv;std::vector<int> vec;
void Consumer() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); while (vec.empty()) { // 將if改為while cv.wait(lock); } std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";}
void Produce() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); vec.push_back(1); cv.notify_all(); std::cout << "produce \n";}
int main() { std::thread t(Consumer); t.detach(); Produce(); return 0;}

看到這里相信你已經(jīng)明白條件變量的使用啦，需要使用while循環(huán)附加判斷條件來(lái)解決條件變量的信號(hào)丟失和虛假喚醒問(wèn)題。

難道我們每次都必須要使用while循環(huán)和附加條件來(lái)操作條件變量嗎？這豈不是很麻煩？

在C++中其實(shí)有更好的封裝，只需要調(diào)用wait函數(shù)時(shí)，在參數(shù)中直接添加附加條件就好了，內(nèi)部已經(jīng)做好了while循環(huán)判斷，直接使用即可，見(jiàn)代碼：

std::mutex mutex;std::condition_variable cv;std::vector<int> vec;
void Consumer() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); cv.wait(lock, [&](){ return !vec.empty(); }); // 這里可以直接使用C++的封裝 std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";}
void Produce() { std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex); vec.push_back(1); cv.notify_all(); std::cout << "produce \n";}
int main() { std::thread t(Consumer); t.detach(); Produce(); return 0;}

但在C語(yǔ)言中就沒(méi)辦法啦，大家只能自己做一層封裝啦。

為什么叫條件變量呢？

因?yàn)閮?nèi)部是通過(guò)判斷及修改某個(gè)全局變量來(lái)決定線(xiàn)程的阻塞與喚醒，多線(xiàn)程操作同一個(gè)變量肯定需要加鎖來(lái)使得線(xiàn)程安全。同時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的wait函數(shù)調(diào)用內(nèi)部會(huì)很復(fù)雜的，有可能線(xiàn)程A調(diào)用了wait函數(shù)但是還沒(méi)有進(jìn)入到wait阻塞等待前，另一個(gè)線(xiàn)程B在此時(shí)卻調(diào)用了notify函數(shù)，此時(shí)nofity的信號(hào)就丟失啦，如果加了鎖，線(xiàn)程B必須等待線(xiàn)程A釋放了鎖并進(jìn)入了等待狀態(tài)后才可以調(diào)用notify，繼而防止信號(hào)丟失。

關(guān)于條件變量就介紹到這里，希望大家能有所收獲，平時(shí)使用過(guò)程中可以避掉條件變量的坑。