c++多線程為何要使用條件變量詳解
先看示例1：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
using namespace std;
int nmax = 20;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
//生產者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費者
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
if (!m_que.empty())
{
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
cout << "consumed:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
if (i == nmax)
{
break;
}
}
else
{
lcx.unlock();
}
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
getchar();
system("pause");
}
結果：
可見cpu使用率非常高。高的原因主要在消費者線程中，因為當隊列為空的時候它也要執行，做瞭過多的無用功導致CPU占有率過高，所以下面對進行一個改造讓其在空的時候等待200毫秒，相當於增大瞭輪詢間隔周期，應該能降低CPU的占用率。
在這裡就貼上消費者的線程，因為其它的都一樣。
//消費者
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
if (!m_que.empty())
{
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
cout << "consumed:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
if (i == nmax)
{
break;
}
}
else
{
lcx.unlock();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
結果：
可見CPU占用率一下子下降瞭。
這裡就有一個困難瞭，那就是如何確定休眠的時間間隔（即輪詢間隔周期），如果間隔太短會過多占用CPU資源，如果間隔太長會因無法及時響應造成延誤。
這就引入瞭條件變量來解決該問題：條件變量使用“通知—喚醒”模型，生產者生產出一個數據後通知消費者使用，消費者在未接到通知前處於休眠狀態節約CPU資源；當消費者收到通知後，趕緊從休眠狀態被喚醒來處理數據，使用瞭事件驅動模型，在保證不誤事兒的情況下盡可能減少無用功降低對資源的消耗。
condition_variable介紹
在C++11中，我們可以使用條件變量（condition_variable）實現多個線程間的同步操作；當條件不滿足時，相關線程被一直阻塞，直到某種條件出現，這些線程才會被喚醒。
成員函數如下：
條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：
a.一個線程因等待”條件變量的條件成立”而掛起；
b.另外一個線程使”條件成立”，給出信號，從而喚醒被等待的線程。
為瞭防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結合在一起；通常情況下這個鎖是std::mutex，並且管理這個鎖 隻能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板類。
上面提到的兩個步驟，分別是使用以下兩個方法實現：
1.等待條件成立使用的是condition_variable類成員wait 、wait_for 或 wait_until。
2.給出信號使用的是condition_variable類成員notify_one或者notify_all函數。
以上兩個類型的wait函數都在會阻塞時，自動釋放鎖權限，即調用unique_lock的成員函數unlock（），以便其他線程能有機會獲得鎖。這就是條件變量隻能和unique_lock一起使用的原因，否則當前線程一直占有鎖，線程被阻塞。
虛假喚醒
在正常情況下，wait類型函數返回時要不是因為被喚醒，要不是因為超時才返回，但是在==實際中發現，因此操作系統的原因，wait類型在不滿足條件時，它也會返回，這就導致瞭虛假喚醒。==因此，我們一般都是使用帶有謂詞參數的wait函數，因為這種(xxx, Predicate pred )類型的函數等價於：
while (!pred()) //while循環，解決瞭虛假喚醒的問題
{
wait(lock);
}
原因說明如下：
假設系統不存在虛假喚醒的時，代碼形式如下：
if (不滿足xxx條件)
{
//沒有虛假喚醒，wait函數可以一直等待，直到被喚醒或者超時，沒有問題。
//但實際中卻存在虛假喚醒，導致假設不成立，wait不會繼續等待，跳出if語句，
//提前執行其他代碼，流程異常
wait();
}
//其他代碼
...
正確的使用方式，使用while語句解決：
while (!(xxx條件) )
{
//虛假喚醒發生，由於while循環，再次檢查條件是否滿足，
//否則繼續等待，解決虛假喚醒
wait();
}
//其他代碼
....
下面看一個使用條件變量的情況：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
condition_variable mycv;
//生產者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
mycv.notify_one();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
int i = 0;
bool m_bexit = false;
while (!m_bexit)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
while (m_que.empty())
{
//避免虛假喚醒
mycv.wait(lcx);
if (m_bflag)
{
cout << "consumerex thread exit\n";
m_bexit = true;
break;
}
}
if (m_bexit)
{
break;
}
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
lcx.unlock();
cout << "consumed:" << i << endl;
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
mycv.notify_one();
Sleep(15000);
m_que.push_back(100);
mycv.notify_one();
Sleep(3000);
m_bflag = true;
mycv.notify_one();//通知線程退出
getchar();
system("pause");
}
結果：
還可以將mycv.wait(lcx);換一種寫法，wait()的第二個參數可以傳入一個函數表示檢查條件，這裡使用lambda函數最為簡單，如果這個函數返回的是true，wait()函數不會阻塞會直接返回，如果這個函數返回的是false，wait()函數就會阻塞著等待喚醒，如果被偽喚醒，會繼續判斷函數返回值。代碼示例如下：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
condition_variable mycv;
//生產者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
mycv.notify_one();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
mycv.wait(lcx, [](){
//返回false就繼續等待
return !m_que.empty();
});
if (m_bflag)
{
break;
}
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
lcx.unlock();
cout << "consumed:" << i << endl;
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
mycv.notify_one();
Sleep(15000);
m_que.push_back(100);
mycv.notify_one();
Sleep(3000);
m_bflag = true;
m_que.push_back(-1);
mycv.notify_one();//通知線程退出
getchar();
system("pause");
}
總結
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