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Linux条件变量：pthread_cond_init、pthread_cond_wait等函数详解

news 2025/9/27 8:01:21

1. 条件变量概述

条件变量（Condition Variable）是线程同步的重要机制，用于线程间的等待和通知。它与互斥锁配合使用，可以高效地实现线程的阻塞和唤醒。

1.1 条件变量的作用

        线程等待：当条件不满足时，线程可以主动等待

        条件通知：当条件满足时，通知等待的线程继续执行

        避免忙等待：减少CPU资源的浪费

1.2 条件变量与互斥锁的关系

条件变量必须与互斥锁一起使用，典型的使用模式：

  1. 获取互斥锁

  2. 检查条件，不满足则等待

  3. 条件满足后执行操作

  4. 释放互斥锁

2. 条件变量函数详解

2.1 函数概览表

函数名功能描述头文件
pthread_cond_init初始化条件变量#include <pthread.h>
pthread_cond_wait等待条件变量#include <pthread.h>
pthread_cond_signal唤醒一个等待线程#include <pthread.h>
pthread_cond_broadcast唤醒所有等待线程#include <pthread.h>
pthread_cond_destroy销毁条件变量#include <pthread.h>

2.2 函数详细说明

2.2.1 pthread_cond_init - 初始化条件变量

功能：初始化条件变量，可以指定属性或使用默认值。

参数说明：

参数名类型含义示例值示例含义
condpthread_cond_t*指向条件变量的指针&cond条件变量地址
attrconst pthread_condattr_t*条件变量属性NULL默认属性

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

使用示例：

pthread_cond_t cond;
if (pthread_cond_init(&cond, NULL) != 0) {perror("条件变量初始化失败");exit(EXIT_FAILURE);
}
2.2.2 pthread_cond_wait - 等待条件变量

功能：等待条件变量，自动释放互斥锁并进入等待状态。

参数说明：

参数名类型含义示例值示例含义
condpthread_cond_t*条件变量指针&cond条件变量地址
mutexpthread_mutex_t*互斥锁指针&mutex互斥锁地址

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

使用示例：

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition == 0) {  // 必须用while循环检查条件pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 条件满足后的操作
pthread_mutex_unlock(&mutex);
2.2.3 pthread_cond_signal - 唤醒单个线程

功能：唤醒一个在该条件变量上等待的线程。

参数说明：

参数名类型含义示例值示例含义
condpthread_cond_t*条件变量指针&cond条件变量地址

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

使用示例：

pthread_mutex_lock(&mutex);
condition = 1;  // 改变条件
pthread_cond_signal(&cond);  // 唤醒一个等待线程
pthread_mutex_unlock(&mutex);
2.2.4 pthread_cond_broadcast - 唤醒所有线程

功能：唤醒所有在该条件变量上等待的线程。

参数说明：

参数名类型含义示例值示例含义
condpthread_cond_t*条件变量指针&cond条件变量地址

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

使用示例：

pthread_mutex_lock(&mutex);
condition = 1;  // 改变条件
pthread_cond_broadcast(&cond);  // 唤醒所有等待线程
pthread_mutex_unlock(&mutex);
2.2.5 pthread_cond_destroy - 销毁条件变量

功能：销毁条件变量，释放相关资源。

参数说明：

参数名类型含义示例值示例含义
condpthread_cond_t*条件变量指针&cond条件变量地址

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

3. 条件变量实战应用

3.1 基础示例：生产者-消费者模型

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
int in = 0, out = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_producer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_consumer = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void* producer(void* arg) {int item;for (int i = 0; i < 10; i++) {item = i;pthread_mutex_lock(&mutex);while (count == BUFFER_SIZE) {pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);}buffer[in] = item;in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;count++;printf("Producer: item %d produced, count: %d\n", item, count);pthread_cond_signal(&cond_consumer);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100000);}return NULL;
}
void* consumer(void* arg) {int item;for (int i = 0; i < 10; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);while (count == 0) {pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);}item = buffer[out];out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;count--;printf("Consumer: item %d consumed, count: %d\n", item, count);pthread_cond_signal(&cond_producer);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(150000);}return NULL;
}
int main() {pthread_t prod_t, cons_t;pthread_create(&prod_t, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cons_t, NULL, consumer, NULL);pthread_join(prod_t, NULL);pthread_join(cons_t, NULL);pthread_cond_destroy(&cond_producer);pthread_cond_destroy(&cond_consumer);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

3.2 实用示例：线程池任务调度

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define THREAD_NUM 3
#define TASK_QUEUE_SIZE 10
typedef struct {int task_id;void (*func)(int);
} Task;
Task task_queue[TASK_QUEUE_SIZE];
int task_count = 0;
int task_front = 0, task_rear = 0;
pthread_mutex_t task_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t task_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int stop_flag = 0;
void print_task(int id) {printf("Task %d is processing by thread %lu\n", id, pthread_self());sleep(1);
}
void add_task(int task_id) {pthread_mutex_lock(&task_mutex);if (task_count < TASK_QUEUE_SIZE) {task_queue[task_rear].task_id = task_id;task_queue[task_rear].func = print_task;task_rear = (task_rear + 1) % TASK_QUEUE_SIZE;task_count++;pthread_cond_signal(&task_cond);printf("Task %d added to queue\n", task_id);}pthread_mutex_unlock(&task_mutex);
}
void* worker_thread(void* arg) {while (1) {pthread_mutex_lock(&task_mutex);while (task_count == 0 && !stop_flag) {pthread_cond_wait(&task_cond, &task_mutex);}if (stop_flag && task_count == 0) {pthread_mutex_unlock(&task_mutex);break;}Task task = task_queue[task_front];task_front = (task_front + 1) % TASK_QUEUE_SIZE;task_count--;pthread_mutex_unlock(&task_mutex);task.func(task.task_id);}return NULL;
}
int main() {pthread_t threads[THREAD_NUM];for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, worker_thread, NULL);}for (int i = 0; i < 15; i++) {add_task(i);usleep(500000);}sleep(5);pthread_mutex_lock(&task_mutex);stop_flag = 1;pthread_cond_broadcast(&task_cond);pthread_mutex_unlock(&task_mutex);for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}pthread_cond_destroy(&task_cond);pthread_mutex_destroy(&task_mutex);return 0;
}

4. 条件变量使用要点

4.1 虚假唤醒（Spurious Wakeup）

问题：线程可能在没有收到signal/broadcast的情况下被唤醒

解决方案：始终在while循环中检查条件

while (condition == 0) {  // 不要用ifpthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

4.2 条件变量的正确使用模式

// 等待线程
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false) {pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 执行操作
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 通知线程
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition_is_true = 1;
pthread_cond_signal(&cond);  // 或broadcast
pthread_mutex_unlock(&mutex);

5. 面试题精选

5.1 基础概念题

1. 条件变量和互斥锁的区别是什么？

参考答案：

        互斥锁用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程访问共享资源

        条件变量用于线程间通信，让线程在条件不满足时等待，条件满足时被唤醒

        条件变量必须与互斥锁配合使用

2. pthread_cond_wait为什么需要互斥锁参数？

参考答案：

        保证在检查条件和进入等待之间的原子性

        防止丢失唤醒（lost wakeup）问题

        自动释放锁并进入等待，被唤醒后自动重新获取锁

5.2 实际应用题

1. 什么是虚假唤醒？如何避免？

参考答案：
虚假唤醒是指线程在没有收到明确信号的情况下从等待状态返回。避免方法：

        使用while循环而不是if语句检查条件

        每次被唤醒后重新检查条件是否真正满足

2. signal和broadcast的区别？

参考答案：

        signal唤醒一个等待线程（如果有多个等待，只唤醒一个）

        broadcast唤醒所有等待线程

        signal效率更高，broadcast更安全但可能引起"惊群效应"

5.3 高级话题

1. 条件变量超时等待如何实现？

参考答案：
使用pthread_cond_timedwait函数：

struct timespec ts;
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
ts.tv_sec += 5;  // 5秒超时
int ret = pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &ts);
if (ret == ETIMEDOUT) {// 超时处理
}

2. 条件变量在性能优化中的注意事项

参考答案：

        尽量减少条件变量的使用频率

        使用broadcast要谨慎，避免不必要的线程唤醒

        条件检查应该尽量简单快速

        考虑使用无锁数据结构替代条件变量

6. 常见错误与调试技巧

6.1 常见错误

  1. 忘记使用while循环：导致虚假唤醒问题

  2. 在锁定互斥锁之前调用signal：可能丢失唤醒

  3. 条件变量与错误的互斥锁配对：导致未定义行为

  4. 忘记销毁条件变量：资源泄漏

6.2 调试技巧

  1. 添加调试输出：跟踪线程的等待和唤醒过程

  2. 使用valgrind检查：检测资源泄漏和锁问题

  3. 死锁检测：检查锁的获取和释放顺序

7. 总结

条件变量是Linux多线程编程中强大的同步工具，正确使用可以大大提高程序效率。关键要点：

  1. 理解基本原理：条件变量用于线程间通信和同步

  2. 掌握正确用法：必须与互斥锁配合，使用while循环检查条件

  3. 区分signal和broadcast：根据场景选择合适的唤醒方式

  4. 注意资源管理：正确初始化和销毁条件变量

通过本文的学习，希望大家能够熟练地在C语言程序中使用条件变量，解决实际的线程同步问题，并应对相关的面试考察。

http://www.dtcms.com/a/410748.html

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