线程同步之条件变量

1. 条件变量概述

条件变量（Condition Variable）是线程同步中的一种高级机制，用于解决线程间的通信问题，尤其是在某个线程需要等待某个条件满足时再继续执行的场景。它常常与互斥锁结合使用，以便在线程等待条件变化时，能够避免占用锁资源，释放锁直到条件满足。

条件变量本身不用于保护共享数据，而是通过与互斥锁的配合，提供一种等待和通知机制，帮助线程协调工作。

2. 条件变量的原理

条件变量允许线程等待某个特定的条件或事件发生。在等待期间，线程会释放与条件变量关联的互斥锁，直到被其他线程通知。通知的方式可以是“通知一个线程”或“通知所有线程”以唤醒等待线程继续执行。

2.1 主要操作

条件变量的操作主要有以下几种：

等待（wait）：
- 线程调用wait操作时，它会释放关联的互斥锁并进入阻塞状态，直到被另一个线程通过notify操作唤醒。
- wait通常是在一个循环中使用，以防止虚假唤醒（spurious wakeups）。
通知（notify）：
- notify操作会唤醒一个等待线程，但并不释放锁。
- 适用于只需要唤醒一个等待线程的情况。
通知所有（notify_all）：
- notify_all操作会唤醒所有等待的线程，通常用于当多个线程等待同一条件时，都需要被唤醒的情况。

2.2 条件变量与互斥锁的结合

互斥锁：条件变量通常与互斥锁一起使用。在使用条件变量时，线程首先获取互斥锁，检查条件是否满足。如果条件不满足，线程会调用wait函数，释放锁并进入等待状态；如果条件满足，线程会继续执行。
通知机制：当某个线程修改了共享资源并满足条件时，它会调用notify或notify_all唤醒等待线程。

3. 条件变量的使用场景

条件变量通常用于以下几种场景：

生产者-消费者问题：生产者线程生产数据并放入缓冲区，消费者线程从缓冲区取数据。消费者在缓冲区为空时等待，生产者在缓冲区满时等待。
线程间依赖：多个线程之间存在某种依赖关系，某些线程必须等其他线程完成某些操作后才能继续执行。
事件驱动：线程在等待某个事件或条件发生后才能继续执行。

4. 条件变量的优缺点

4.1 优点

避免忙等待：与自旋锁相比，条件变量避免了繁忙的CPU资源消耗。当条件不满足时，线程会释放锁并进入阻塞状态，直到条件满足后唤醒。
适用于复杂的同步逻辑：条件变量非常适合需要等待某个特定条件的场景，能够有效协调多个线程的执行顺序。

4.2 缺点

需要与互斥锁配合使用：条件变量不能独立使用，它必须与互斥锁配合使用，这会增加编程的复杂性。
可能出现虚假唤醒：线程在等待条件时可能被虚假唤醒，因此通常需要在wait操作中使用循环来检查条件。
可能导致死锁：如果条件变量的使用不当，容易引发死锁，尤其是在多线程竞争锁的情况下。

5. 条件变量的实现（C语言示例）

在C语言中，条件变量通常与pthread_cond_t类型配合使用，并与互斥锁pthread_mutex_t一起使用。常见的操作包括pthread_cond_wait、pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast。

5.1 示例：生产者-消费者模型

下面是一个使用条件变量的生产者-消费者模型的示例，生产者将数据放入缓冲区，消费者从缓冲区取数据：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 10

// 共享缓冲区
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;  // 缓冲区中的项目数量

pthread_mutex_t mutex;            // 互斥锁
pthread_cond_t cond_producer;     // 生产者条件变量
pthread_cond_t cond_consumer;     // 消费者条件变量

// 生产者线程函数
void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 获取互斥锁

        // 如果缓冲区已满，等待消费者消费
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
        }

        // 生产数据并放入缓冲区
        buffer[count++] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);

        // 通知消费者可以消费
        pthread_cond_signal(&cond_consumer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 释放互斥锁
    }
    return NULL;
}

// 消费者线程函数
void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 获取互斥锁

        // 如果缓冲区为空，等待生产者生产
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);
        }

        // 消费数据
        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d\n", item);

        // 通知生产者可以生产
        pthread_cond_signal(&cond_producer);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 释放互斥锁
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);
    pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程完成
    pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond_producer);
    pthread_cond_destroy(&cond_consumer);

    return 0;
}

5.2 代码解析

互斥锁：pthread_mutex_t mutex 用于同步访问共享资源buffer。
条件变量：pthread_cond_t cond_producer和pthread_cond_t cond_consumer分别用于生产者和消费者线程的同步。
生产者逻辑：当缓冲区满时，生产者线程会调用pthread_cond_wait，阻塞自己并释放互斥锁，直到消费者消费了数据。
消费者逻辑：当缓冲区为空时，消费者线程会调用pthread_cond_wait，等待生产者生产数据。