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多线程编程：条件变量

news 来源：原创 2025/5/18 8:59:26

多线程编程中的条件变量：原理、使用场景与最佳实践

引言
在多线程编程中，条件变量（Condition Variable）是解决线程间同步与通信的核心工具之一。它允许线程在特定条件不满足时主动挂起，并在条件满足时被唤醒，从而避免了忙等待（Busy Waiting）带来的资源浪费。本文将从条件变量的初始化、核心函数原理、使用陷阱以及实际代码示例展开，深入解析这一机制的最佳实践。

一、条件变量的初始化：静态与动态

静态初始化
通过宏 PTHREAD_COND_INITIALIZER 快速初始化条件变量，适用于全局或静态变量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

优点：无需手动销毁，程序退出时自动释放资源。

动态初始化
使用函数 pthread_cond_init() 动态初始化，适用于堆内存或局部变量：

pthread_cond_t cond;  
pthread_cond_init(&cond, NULL);

优点：可自定义属性（如进程间共享），需通过 pthread_cond_destroy() 显式释放资源。

二、条件变量的核心操作

等待条件：pthread_cond_wait 与 pthread_cond_timedwait
（1）pthread_cond_wait

函数原型：

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

核心逻辑：
- 原子操作：释放 mutex → 进入阻塞等待 → 被唤醒后重新获取 mutex。
- 必须配合 while 循环（而非 if）检查条件，防止虚假唤醒（Spurious Wakeup）。

（2）pthread_cond_timedwait

函数原型：

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

超时机制：
- 若在绝对时间 abstime 前未收到信号，返回 ETIMEDOUT。
- 适用于需限制等待时间的场景（如实时系统）。

发送信号：pthread_cond_signal 与 pthread_cond_broadcast
（1）pthread_cond_signal

功能：唤醒至少一个等待线程（具体数量由调度策略决定）。
适用场景：资源仅允许单个线程访问（如任务队列中有一个任务待处理）。

（2）pthread_cond_broadcast

功能：唤醒所有等待线程，引发锁竞争。
适用场景：资源可被多个线程同时访问（如缓冲区已满，所有消费者线程需被唤醒）。

三、条件变量的使用陷阱与解决方案

必须使用 while 而非 if 检查条件

虚假唤醒：
操作系统可能因信号处理、硬件中断等原因意外唤醒线程，while 可确保条件真正成立。
条件竞争：
若线程A在发送信号时，线程B尚未进入等待，信号可能丢失。通过 while 循环可重新检查条件。

互斥锁与条件变量的绑定关系

锁的保护范围：
修改条件变量关联的共享数据（如 ready 标志）时，必须持有锁，避免数据竞争。
唤醒后的锁状态：
线程从 pthread_cond_wait 返回时已重新获取锁，需在操作完成后显式释放。

四、代码示例解析：生产者-消费者模型

#include <pthread.h>  
#include <stdio.h>  
 
// 全局变量初始化  
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
int ready = 0;  
 
// 消费者线程  
void* consumer(void* arg) {  
    pthread_mutex_lock(&mutex);  
    while (!ready) {  
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件成立  
    }  
    printf("Consumer: ready = %d\n", ready);  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  
    return NULL;  
}  
 
// 生产者线程  
void* producer(void* arg) {  
    pthread_mutex_lock(&mutex);  
    ready = 1;  
    pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒所有消费者  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  
    return NULL;  
}  
 
int main() {  
    pthread_t prod, cons;  
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);  
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);  
    pthread_join(prod, NULL);  
    pthread_join(cons, NULL);  
    return 0;  
}

代码逻辑分析

消费者线程：
- 获取锁后检查 ready 标志，若未就绪，调用 pthread_cond_wait 释放锁并等待。
- 被唤醒后重新检查 ready，防止虚假唤醒。
生产者线程：
- 修改 ready 标志后，通过 pthread_cond_broadcast 通知所有消费者。
- 使用广播（而非单次信号）确保所有等待线程被唤醒。