Linux：线程同步

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一、线程同步的基本认识

线程同步是多线程编程中非常重要的一部分，它的核心目标是保证数据的一致性和执行顺序的可控性。
在并发场景下，线程往往需要共享资源，而这种共享会带来竞争问题。如果不加以控制，就可能出现线程饥饿、竞态条件等现象，从而导致程序异常甚至崩溃。

同步的核心思路就是：让多个线程在访问临界资源时按照一定的顺序执行，保证数据的正确性和安全性。
其中比较常见的同步工具就是互斥量和条件变量。本篇博客主要围绕条件变量展开，帮助大家理解如何在合适的时机协调线程的执行顺序。

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二、条件变量的引入

1. 为什么需要条件变量

当一个线程访问某个共享资源时，它可能会遇到资源暂时不可用的情况。例如，一个线程要访问队列，但队列为空，此时它只能等待，直到其他线程将数据放入队列中。
这种等待与唤醒机制，就是条件变量能够解决的问题。通过条件变量，线程可以在特定条件不满足时挂起自己，当条件被满足时再被唤醒继续执行。

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2. 条件变量与互斥量的关系

条件变量通常与互斥量配合使用：

• 互斥量用于保护共享资源，保证在临界区的访问安全。
• 条件变量则用于在合适的时机唤醒等待中的线程，让它们继续工作。

因此，条件变量本质上是“在安全环境下的等待与唤醒机制”，二者必须搭配使用。

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三、条件变量的接口与使用

1. 初始化与销毁

条件变量在使用前必须初始化，常见方法有两种：

静态初始化：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

动态初始化：

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

其中 attr 一般传 NULL。

销毁条件变量：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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2. 等待与唤醒

线程等待条件满足时使用：

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

调用时需要传入条件变量和互斥量，线程会先释放互斥量并进入等待状态，直到被唤醒后再重新获得互斥量继续执行。

线程唤醒等待者有两种方式：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);      // 唤醒一个线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);   // 唤醒所有等待线程

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3. 线程同步封装

下面通过一个小例子演示条件变量的使用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#define NUM 5
int cnt = 1000;pthread_mutex_t glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t gcond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;// 等待是需要等，什么条件才会等呢？票数为0，等待之前，就要对资源的数量进行判定。
// 判定本身就是访问临界资源！，判断一定是在临界区内部的.
// 判定结果，也一定在临界资源内部。所以，条件不满足要休眠，一定是在临界区内休眠的!
// 证明一件事情：条件变量，可以允许线程等待
//                       可以允许一个线程唤醒在cond等待的其他线程， 实现同步过程
void *threadrun(void *args)
{std::string name = static_cast<const char *>(args);while (true){pthread_mutex_lock(&glock);// 直接让对用的线程进行等待?? 临界资源不满足导致我们等待的!pthread_cond_wait(&gcond, &glock); // glock在pthread_cond_wait之前，会被自动释放掉std::cout << name << " 计算: " << cnt << std::endl;cnt++;pthread_mutex_unlock(&glock);}
}int main()
{std::vector<pthread_t> threads;for (int i = 0; i < 5; i++){pthread_t tid;char* name = new char[64];snprintf(name, 64, "thread-%d", i);int n = pthread_create(&tid, nullptr, threadrun, name);if (n != 0)continue;threads.push_back(tid);sleep(1);}while (true){std::cout << "唤醒所有线程" << std::endl;pthread_cond_broadcast(&gcond);// std::cout << "唤醒一个线程... " << std::endl;// pthread_cond_signal(&gcond);sleep(1);}for (auto &id : threads){int m = pthread_join(id, nullptr);(void)m;}return 0;}

运行结果是：

thread-1 活动...
thread-2 活动...
thread-1 活动...
thread-1 活动...
thread-2 活动...

可以看到，条件变量让线程在满足条件时被唤醒，避免了忙等问题。

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四、竞态条件与同步

1. 什么是竞态条件

竞态条件是由于线程执行的时序不确定，导致多个线程同时访问和修改共享资源，从而出现逻辑错误的现象。
例如两个线程几乎同时检查队列是否为空并准备取数据，但其中一个线程取走后另一个线程再取，就会发生错误。

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2. 同步的本质

同步的核心是避免竞态条件，同时让线程按照正确的顺序访问临界资源。
通过互斥量和条件变量的配合，我们可以保证：

• 共享资源访问有序，不会出现数据冲突；
• 线程在条件不满足时进入等待，而不是不断轮询；
• 在条件满足时，等待的线程能够被高效唤醒。

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五、总结

条件变量是多线程同步机制中的重要组成部分，尤其适合“等待-唤醒”模式。它通常与互斥量配合使用，避免了无意义的忙等，让线程在条件满足时才继续执行，从而提升程序的效率与安全性。

掌握条件变量的使用，不仅能帮助我们写出更健壮的多线程代码，也为实现复杂的线程协作打下了基础。

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