线程同步与条件变量

1 为什么需要线程同步？

当多个线程同时访问共享资源时，可能会出现：

竞态条件：执行结果依赖于线程执行的顺序
数据不一致：线程读取到中间状态的数据
死锁：线程相互等待对方释放资源

2 同步概念与竞态条件

• 同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步

• 竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。在线程场景下，这种问题也不难理解

3 条件变量

• 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。

• 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，等到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

基本概念:

条件变量是多线程编程中的同步机制，用于线程间的通信和协调。它允许一个或多个线程等待某个条件成立，而其他线程在条件满足时通知等待的线程。

核心功能

1. 等待条件

线程检查条件，如果条件不满足，则进入等待状态
等待时会自动释放互斥锁，让其他线程能修改共享数据

2. 通知等待线程

signal()：唤醒一个等待线程
broadcast()：唤醒所有等待线程

3 条件变量函数

初始化

条件变量的初始化和互斥锁几乎一样

• 方法1，静态分配:

cpp 复制代码

// 静态初始化（全局或静态变量）
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 不需要调用 pthread_cond_init
// 也不需要调用  pthread_cond_destroy

方法2，动态分配: pthread_cond_init 函数

pthread_cond_init是 POSIX 线程库中用于初始化条件变量的函数。条件变量用于线程间的同步，允许线程等待某个条件成立。

cpp 复制代码

#include <pthread.h>

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
                     const pthread_condattr_t *restrict attr);

参数说明

cond

指向要初始化的条件变量的指针

attr

指向条件变量属性的指针
如果为 NULL，则使用默认属性

返回值

成功：返回 0
失败：返回错误码（非零值）

销毁

cpp 复制代码

int pthread_cond_destroy(pthread_1 cond_t *cond)

等待

pthread_cond_wait是 POSIX 线程（pthread）库中用于条件变量等待的函数。

cpp 复制代码

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
                      pthread_mutex_t *restrict mutex);

参数说明

参数	说明
cond	指向条件变量的指针
mutex	指向互斥锁的指针

工作原理

1. 原子操作三部曲

当线程调用 pthread_cond_wait 时，它会原子地执行以下操作：

cpp 复制代码

// 伪代码表示其行为：
pthread_mutex_unlock(mutex);    // 1. 释放互斥锁
wait_for_signal(cond);          // 2. 等待条件变量
pthread_mutex_lock(mutex);      // 3. 重新获取互斥锁

2. 为什么要用互斥锁配合？

条件变量必须与互斥锁一起使用，原因：

防止竞争条件（race condition）
确保检查条件和等待是原子操作
避免信号丢失

唤醒等待

cpp 复制代码

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);//唤醒在该条件变量下等待的全部线程
//唤醒在该条件变量下等待的一个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

代码实践：简单看一下函数应用

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *active(void *arg)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(arg);
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        std::cout << name << " 活动..." << std::endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}
int main(void)
{
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, active, (void *)"thread-1");
    pthread_create(&t2, NULL, active, (void *)"thread-2");
    sleep(3); // 可有可无，这里确保两个线程已经在运行
    while (true)
    {
        // 对比测试
        //pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒一个线程
        pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒所有线程
        sleep(1);
    }
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
}

当唤醒一个线程时一个线程一个线程逐个出现，当唤醒所有线程时两个两个的一起出现