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线程同步---条件变量

news 2024/11/5 19:35:02

学习自《深入应用C++11 代码优化与工程级应用》

过程中许多不懂的点问了智谱清言

条件变量

条件变量是C++11提供的另外一个用于等待的同步机制，它能阻塞一个或多个线程，直到收到另一个线程发出的通知或超时，才会唤起当前阻塞的线程。条件变量需要和互斥量配合起来用。

C++11提供了两种条件变量：

condition_variable:

配合std::unique_lock<std::mutex>进行wait操作。

condition_variable_any:

和任意带有lock,unlock语义的mutex搭配使用，比较灵活，但效率比condition_variable差一些。

condition_variable_any比condition_variable更灵活，因为它更通用，对所有的锁都适用，而condition_variable性能更好。

条件变量的使用过程如下：

拥有条件变量的线程获取互斥量。

循环检测某个条件，如果条件不满足，则阻塞直到条件满足；如果条件满足，则向下进行。

某个线程满足条件执行完之后调用notify_one或notify_all唤醒一个或所有的等待线程。

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std::unique_lock：

它提供了对互斥量（如std::mutex）的灵活锁定策略。std::unique_lock对象是可移动的，但不是可复制的，这意味着你可以通过移动语义来转移所有权，但不能复制它。这意味着你不能使用复制构造函数或复制赋值函数来复制std::unique_lock对象，但可以通过移动构造函数或移动赋值函数来转移对象的所有权。

调用release后，unique_lock对象的owns_lock()将返回false

#include <iostream>
#include <mutex>std::mutex mtx;int main() {std::unique_lock<std::mutex> ul(mtx); // 锁定互斥量// 释放互斥量的所有权std::mutex* p_mutex = ul.release();// 此时 unique_lock 对象不再拥有互斥量if (ul.owns_lock()) {std::cout << "unique_lock still owns the mutex." << std::endl;} else {std::cout << "unique_lock no longer owns the mutex." << std::endl;}// 手动锁定互斥量p_mutex->lock();// ... 在这里执行一些操作 ...// 手动解锁互斥量p_mutex->unlock();return 0;
}

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学习std::condition_variable

std::condition_variable要求与std::unique_lock<std::mutex>或std::lock_guard<std::mutex>一起使用

在调用 wait() 系列函数时，必须确保互斥量已经被当前线程锁定。

std::condition_variable 的 wait() 方法用于使当前线程进入等待状态，直到条件变量被通知，或者某个特定的条件成立。在调用 wait() 时，线程必须已经锁定了与之关联的互斥量（通常是 std::unique_lock），并且 wait() 会在内部解锁互斥量，然后在等待期间阻塞线程。一旦条件变量被通知，wait() 将重新锁定互斥量，并返回。

void wait(unique_lock<mutex>& __lock);

使当前线程进入等待状态，直到条件变量被通知或者虚假唤醒发生。

函数在开始等待之前会自动释放这个锁，这样其他线程就可以获取这个锁并可能更改条件变量的状态。当 wait 函数返回时（无论是因为条件变量被通知还是虚假唤醒），它将重新获取这个锁。

当 wait函数被调用时，以下步骤会发生：

当前线程释放 __lock 所持有的互斥量。
当前线程进入等待状态，等待条件变量被其他线程通过 notify_one() 或 notify_all() 唤醒。
当线程被唤醒时，它重新获取互斥量，然后 wait函数返回。

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虚假唤醒:

虚假唤醒（Spurious Wakeup）是指在多线程编程中，一个线程在等待某些条件时，即使条件尚未满足，线程也可能被唤醒。这种现象在基于条件变量的同步机制中是可能的，并且是预期之内的行为。

虚假唤醒之所以会发生，是因为操作系统和硬件层面的原因，如中断、信号处理、线程调度策略等。虚假唤醒不是错误，而是程序员在使用条件变量时必须考虑的一种可能性。

以下是一些处理虚假唤醒的方法：

1.循环检查条件：当线程从 wait() 函数返回时，应该总是在一个循环中检查条件是否真正满足，而不是假设 wait() 返回就一定意味着条件已经满足。这种模式通常称为“等待-通知循环”或“自旋锁”。

示例代码:
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
while (!condition) {  // 使用 while 而不是 ifcv.wait(lock);   // 可能会发生虚假唤醒
}
// 条件满足，继续执行后续操作

2.使用条件变量的其他形式： C++11 及更高版本提供了 wait() 函数的重载版本，允许你传递一个lambda表达式或函数对象来检查条件，从而避免显式循环。例如：
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return condition; });
// 条件满足，继续执行后续操作
在这个例子中，即使发生了虚假唤醒，lambda 表达式会再次检查条件，直到条件真正满足。

虚假唤醒并不是问题，因为通过正确使用条件变量，你可以确保程序的正确性。记住，当使用条件变量时，总是应该使用循环来检查条件，即使文档中没有明确说明虚假唤醒的存在。这是编写健壮多线程代码的最佳实践。

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void wait(unique_lock<mutex>& __lock, _Predicate __p)

谓词（predicate）作为参数。谓词是一个可调用的对象（例如，函数、函数对象或 lambda 表达式），它用于检查等待条件是否满足

在这个实现中，wait 方法会执行以下步骤：

检查谓词 __p 是否返回 true。如果返回 true，则表示等待条件已经满足，线程可以继续执行。
如果谓词返回 false，则调用不带谓词的 wait 方法，这将使线程进入等待状态，直到条件变量被另一个线程通过 notify_one() 或 notify_all() 方法通知，或者发生虚假唤醒。
如果线程被唤醒（无论是由于通知还是虚假唤醒），它会再次检查谓词。如果谓词仍然返回 false，线程将继续等待。

这种方法确保了即使在发生虚假唤醒的情况下，线程也不会继续执行，直到谓词条件真正满足。这是处理条件变量时避免竞态条件和确保线程安全的关键。

在使用条件变量时，始终使用带有谓词的 wait 方法是一种好的实践，因为它可以简化代码并减少错误。

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void notify_one() noexcept;

当 notify_one() 被调用时，它会随机选择一个正在等待的线程（如果有的话）并唤醒它。

noexcept

noexcept是一个关键字，用于指定某个函数或对象构造函数不会抛出异常。如果在函数或构造函数声明中使用了 noexcept，则表示该函数承诺不会因为运行时异常而终止执行。

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为什么使用 noexcept？

使用 noexcept 有几个好处：

性能提升：某些操作（如异常处理）可能需要额外的代码来处理异常情况。如果函数承诺不会抛出异常，编译器可以优化代码，从而可能提高性能。

简化资源管理：对于析构函数和释放资源的函数，使用 noexcept 可以确保资源管理更加安全和高效。

增强异常安全：通过明确哪些函数可能抛出异常，哪些函数不会，可以更好地设计程序的异常安全策略。