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条件变量condition_variable

news 来源：原创 2025/5/28 2:14:29

条件变量

条件变量是一个对象，能够阻止调用线程，直到通知恢复。

std::condition_variable 是 C++ 标准库中的一个同步原语，它与互斥锁（std::mutex）配合使用，用于线程间的等待和通知机制。

成员函数

  • wait()：使当前线程阻塞，直到被其他线程唤醒。在调用 wait() 时，线程会自动释放持有的互斥锁，当被唤醒后，线程会重新获取互斥锁。
  • wait_for()：使当前线程阻塞一段时间，若在这段时间内被唤醒，则继续执行；若超时仍未被唤醒，则自动返回。
  • wait_until()：使当前线程阻塞直到指定的时间点，若在该时间点之前被唤醒，则继续执行；若到达时间点仍未被唤醒，则自动返回。
  • notify_one()：唤醒一个等待在该条件变量上的线程。
  • notify_all()：唤醒所有等待在该条件变量上的线程。

wait()

无条件：void wait (unique_lock<mutex>& lck);

谓词：template <class Predicate> void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

Wait until notified

当前线程（应已锁定 的互斥锁）的执行将被阻止，直到收到通知。

在阻塞线程的那一刻，该函数会自动调用 ，允许其他锁定的线程继续。

一旦收到通知（显式地，由其他线程通知），该函数就会解除阻塞并调用 ，离开时的状态与调用函数时的状态相同。然后函数返回（请注意，最后一个互斥锁可能会在返回之前再次阻塞线程）。 

通常，通过在另一个线程中调用 notify_one 或 notify_all 来通知函数唤醒。但某些 implementations 可能会在不调用这些函数的情况下产生虚假的唤醒调用。因此，此功能的用户应确保满足其恢复条件。

参数

lck：一个unique_lock对象并且当前线程已经被锁住了
对此对象的 wait 成员函数的所有并发调用都应使用相同的底层互斥对象（如 返回的lck.muetx() ）。

pred：一个可调用对象或函数，它不接受任何参数并返回一个可以视为为 bool的值
将重复调用此函数，直到其计算结果为<bool>true。

wait_for()

无条件：template <class Rep, class Period> cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);

谓词:template <class Rep, class Period, class Predicate> bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);

Wait for timeout or until notified

当前线程（应已锁定 的互斥锁）的执行将在rel_time内被阻止，或者提前收到通知则解除。

在阻塞线程的那一刻，该函数会自动调用 ，允许其他锁定的线程继续。

一旦收到通知或者rel_time已过，该函数就会解除阻塞并调用，离开时的状态与调用函数时的状态相同。然后函数返回（请注意，最后一个互斥锁可能会在返回之前再次阻塞线程）。 

通常，通过在另一个线程中调用 notify_one 或 notify_all 来通知函数唤醒。但某些 implementations 可能会在不调用这些函数的情况下产生虚假的唤醒调用。因此，此功能的用户应确保满足其恢复条件。

参数

lck：一个unique_lock对象并且当前线程已经被锁住了
对此对象的 wait 成员函数的所有并发调用都应使用相同的底层互斥对象（如 返回的lck.muetx() ）。

rul_time：线程将阻塞等待通知的最大时间跨度。

duation是表示特定相对时间的对象

pred：一个可调用对象或函数，它不接受任何参数并返回一个可以视为为 bool的值
将重复调用此函数，直到其计算结果为<bool>true。

返回值

1)无条件：（1）如果函数因rel_time时间过去而返回，则返回cv_status::timeout，否则返回cv_status::no_timeout。

2)谓词：无论超时是否被触发，都返回pred()（不过如果触发了超时，它只能返回false）

wait_until()

无条件：template <class Clock, class Duration> cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);

谓词：template <class Clock, class Duration, class Predicate> bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time, Predicate pred);

Wait until notified or time point

当前线程（应已锁定的互斥锁）的执行将被阻止，直到通知或直到abs_time ，以先发生者为准。 

在阻塞线程的那一刻，该函数会自动调用 ，允许其他锁定的线程继续。

一旦收到通知或者到了abs_time，该函数就会解除阻塞并调用，离开时的状态与调用函数时的状态相同。然后函数返回（请注意，最后一个互斥锁可能会在返回之前再次阻塞线程）。

通常，通过在另一个线程中调用 notify_one 或 notify_all 来通知函数唤醒。但某些 implementations 可能会在不调用这些函数的情况下产生虚假的唤醒调用。因此，此功能的用户应确保满足其恢复条件。 

参数

lck：一个unique_lock对象并且当前线程已经被锁住了
对此对象的 wait 成员函数的所有并发调用都应使用相同的底层互斥对象（如 返回的lck.muetx() ）。

abs_time：线程将停止阻塞以允许函数返回的时间点。

tme_point是表示特定绝对时间的对象。

pred：一个可调用对象或函数，它不接受任何参数并返回一个可以视为为 bool的值
将重复调用此函数，直到其计算结果为<bool>true。

返回值

1)无条件：如果函数因已达到绝对时间abs_time而返回， 则返回cv_status::timeout，否则返回ccv_status::no_timeout

2)谓词：无论超时是否被触发，都会返回pred()的值（不过只有在超时被触发的情况下，该返回值才可能为假）。

notify_one()

void notify_one() noexcept;

Notify one

解除当前正等待此条件的线程中的一个线程的阻塞状态。

如果没有线程在等待，该函数不执行任何操作。

如果有多个线程在等待，那么具体选择唤醒哪个线程是未指定的。

参数：无

返回值：无

notify_all()

void notify_all() noexcept;

Notify all

解除当前所有正等待此条件的线程的阻塞状态。

如果没有线程在等待，该函数不执行任何操作。

参数：无

返回值：无

 

Example

//condition_variable example
#include<iostream>  //std::cout
#include<thread>  //std::thread
#include<mutex>  //std::mutex，std::unique_lock
#include<windows.h>  //Sleep
#include<condition_variable>  //std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
	std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
	while (!ready) {
		std::cout << "Waiting: " << id << std::endl;
		cv.wait(lck);
	}
	//...
	std::cout << "thread " << id << std::endl;
}

void go() {
	std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
	ready = true;
	cv.notify_all();
}

int main() {
	std::thread threads[10];
	// spawn 10 threads:
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		threads[i] = std::thread(print_id, i);
	}

	std::cout << "10 threads ready to race..." << std::endl;
	Sleep(2000);
	go();
	for (auto& th : threads) {
		th.join();
	}

	return 0;

}


// condition_variable::wait (with predicate)
#include<iostream>  //std::cout
#include<thread>  //std::thread，std::this_thread::yield()
#include<mutex>  //std::mutex，std::unique_lock
#include<condition_variable>  //std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;

int cargo = 0;
bool ship_avaiable() {
	return cargo != 0;
}

void consume(int n) {
	for (int i = 0; i < n; ++i) {
		std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
		cv.wait(lck,ship_avaiable);
		//consume
		std::cout << cargo <<'\n';
		cargo = 0;
	}
}
int main() {
	std::thread consumer_thread(consume, 10);

	//produce 10 items when needed
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		while (ship_avaiable()) { std::this_thread::yield(); }
		std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
		cargo = i + 1;
		cv.notify_one();
	}

	consumer_thread.join();

	return 0;
}
// condition_variable::wait_for example
#include<iostream>  //std::cout
#include<thread>  //stdh::thread
#include <chrono>  //std::chrono::seconds
#include<mutex>  //std::mutex，std::unique_lock
#include<condition_variable>  //std::condition_variabel，std::cv_status

std::condition_variable cv;

int value;

void read_vaule() {
	std::cin >> value;
	cv.notify_one();
}

int main() {
	std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): \n";
	std::thread th(read_vaule);

	std::mutex mtx;
	std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
	while (cv.wait_for(lck, std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) {
		std::cout << '.' << std::endl;
	}
	std::cout << "You entered: " << value << std::endl;

	th.join();

	return 0;
}
// condition_variable::notify_one
#include<iostream>  //std::cout
#include<mutex>  //std::mutex，std::unique_lock
#include<thread>  //std::thread
#include<condition_variable>  //std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable produce,consume;

int cargo = 0;  //shared vaule by producers and consumer

void consumer() {
	std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
	while (cargo == 0) {
		consume.wait(lck);
	}
	std::cout << cargo << '\n';
	cargo = 0;
	produce.notify_one();
}

void producer(int id) {
	std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
	while (cargo != 0) {
		produce.wait(lck);
	}
	cargo = id;
	consume.notify_one();
}
int main() {
	std::thread producers[10], consumers[10];
	//spawn 10 producers and 10 consumers
	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		consumers[i] = std::thread(consumer);
		producers[i] = std::thread(producer,i+1);
	}

	// join them back:
	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
		producers[i].join();
		consumers[i].join();
	}

	return 0;
}

 

// condition_variable::notify_all
#include <iostream>           // std::cout
#include <thread>             // std::thread
#include <mutex>              // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id (int id) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  while (!ready) cv.wait(lck);
  // ...
  std::cout << "thread " << id << '\n';
}

void go() {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  ready = true;
  cv.notify_all();
}

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(print_id,i);

  std::cout << "10 threads ready to race...\n";
  go();                       // go!

  for (auto& th : threads) th.join();

  return 0;
}

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