c++多線程為何要使用條件變量詳解

更新時(shí)間：2021年06月04日 11:32:27 作者：發(fā)如雪-ty

多線程是多任務(wù)處理的一種特殊形式,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于c++多線程為何要使用條件變量的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

先看示例1：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
using namespace std;


int nmax = 20;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;


//生產(chǎn)者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒鐘
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();
		i++;
	}

	cout << "product thread exit\n";
}

//消費(fèi)者
void consumerex()
{
	int i = 0;
	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		if (!m_que.empty())
		{
			int i = m_que.back();
			m_que.pop_back();
			cout << "consumed:" << i << endl;
			lcx.unlock();
			i++;
			if (i == nmax)
			{
				
				break;
			}
		}
		else
		{
			lcx.unlock();
		}
		
		
	}

	cout << "consumerex thread exit\n";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!\n";
	getchar();
	system("pause");
}

結(jié)果：

可見cpu使用率非常高。高的原因主要在消費(fèi)者線程中，因?yàn)楫?dāng)隊(duì)列為空的時(shí)候它也要執(zhí)行，做了過多的無用功導(dǎo)致CPU占有率過高，所以下面對進(jìn)行一個(gè)改造讓其在空的時(shí)候等待200毫秒，相當(dāng)于增大了輪詢間隔周期，應(yīng)該能降低CPU的占用率。

在這里就貼上消費(fèi)者的線程，因?yàn)槠渌亩家粯印?/p>

//消費(fèi)者
void consumerex()
{
	int i = 0;
	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		if (!m_que.empty())
		{
			int i = m_que.back();
			m_que.pop_back();
			cout << "consumed:" << i << endl;
			lcx.unlock();
			i++;
			if (i == nmax)
			{
				
				break;
			}
		}
		else
		{
			lcx.unlock();
			std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
		}
		
		
	}

	cout << "consumerex thread exit\n";
}

結(jié)果：

可見CPU占用率一下子下降了。

這里就有一個(gè)困難了，那就是如何確定休眠的時(shí)間間隔（即輪詢間隔周期），如果間隔太短會(huì)過多占用CPU資源，如果間隔太長會(huì)因無法及時(shí)響應(yīng)造成延誤。

這就引入了條件變量來解決該問題：條件變量使用“通知—喚醒”模型，生產(chǎn)者生產(chǎn)出一個(gè)數(shù)據(jù)后通知消費(fèi)者使用，消費(fèi)者在未接到通知前處于休眠狀態(tài)節(jié)約CPU資源；當(dāng)消費(fèi)者收到通知后，趕緊從休眠狀態(tài)被喚醒來處理數(shù)據(jù)，使用了事件驅(qū)動(dòng)模型，在保證不誤事兒的情況下盡可能減少無用功降低對資源的消耗。

condition_variable介紹
在C++11中，我們可以使用條件變量（condition_variable）實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程間的同步操作；當(dāng)條件不滿足時(shí)，相關(guān)線程被一直阻塞，直到某種條件出現(xiàn)，這些線程才會(huì)被喚醒。

成員函數(shù)如下：

條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個(gè)動(dòng)作：

a.一個(gè)線程因等待"條件變量的條件成立"而掛起；

b.另外一個(gè)線程使"條件成立"，給出信號，從而喚醒被等待的線程。

為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個(gè)互斥鎖結(jié)合在一起；通常情況下這個(gè)鎖是std::mutex，并且管理這個(gè)鎖只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板類。

上面提到的兩個(gè)步驟，分別是使用以下兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)：

1.等待條件成立使用的是condition_variable類成員wait 、wait_for 或 wait_until。

2.給出信號使用的是condition_variable類成員notify_one或者notify_all函數(shù)。

以上兩個(gè)類型的wait函數(shù)都在會(huì)阻塞時(shí)，自動(dòng)釋放鎖權(quán)限，即調(diào)用unique_lock的成員函數(shù)unlock（），以便其他線程能有機(jī)會(huì)獲得鎖。這就是條件變量只能和unique_lock一起使用的原因，否則當(dāng)前線程一直占有鎖，線程被阻塞。

虛假喚醒

在正常情況下，wait類型函數(shù)返回時(shí)要不是因?yàn)楸粏拘?，要不是因?yàn)槌瑫r(shí)才返回，但是在==實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，因此操作系統(tǒng)的原因，wait類型在不滿足條件時(shí)，它也會(huì)返回，這就導(dǎo)致了虛假喚醒。==因此，我們一般都是使用帶有謂詞參數(shù)的wait函數(shù)，因?yàn)檫@種(xxx, Predicate pred )類型的函數(shù)等價(jià)于：

while (!pred()) //while循環(huán)，解決了虛假喚醒的問題
{
    wait(lock);
}

原因說明如下：

假設(shè)系統(tǒng)不存在虛假喚醒的時(shí)，代碼形式如下：

if (不滿足xxx條件)
{
    //沒有虛假喚醒，wait函數(shù)可以一直等待，直到被喚醒或者超時(shí)，沒有問題。
    //但實(shí)際中卻存在虛假喚醒，導(dǎo)致假設(shè)不成立，wait不會(huì)繼續(xù)等待，跳出if語句，
    //提前執(zhí)行其他代碼，流程異常
    wait();  
}


//其他代碼
...

正確的使用方式，使用while語句解決：

while (!(xxx條件) )
{
    //虛假喚醒發(fā)生，由于while循環(huán)，再次檢查條件是否滿足，
    //否則繼續(xù)等待，解決虛假喚醒
    wait();  
}
//其他代碼
....

下面看一個(gè)使用條件變量的情況：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;


int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;

condition_variable mycv;

//生產(chǎn)者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒鐘
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();

		mycv.notify_one();
		i++;
	}

	cout << "product thread exit\n";
}

//消費(fèi)者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
	int i = 0;
	bool m_bexit = false;
	while (!m_bexit)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);

		while (m_que.empty())
		{
			//避免虛假喚醒
			mycv.wait(lcx);
			if (m_bflag)
			{
				cout << "consumerex thread exit\n";
				m_bexit = true;
				break;

			}
		}
	
		
		if (m_bexit)
		{
			break;
		}
			
		int i = m_que.back();
		m_que.pop_back();
		lcx.unlock();
		cout << "consumed:" << i << endl;		
	}

	cout << "consumerex thread exit\n";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!\n";
	mycv.notify_one();
	Sleep(15000);
	m_que.push_back(100);
	mycv.notify_one();
	Sleep(3000);
	m_bflag = true;
	mycv.notify_one();//通知線程退出
	getchar();
	system("pause");
}

結(jié)果：

還可以將mycv.wait(lcx);換一種寫法，wait()的第二個(gè)參數(shù)可以傳入一個(gè)函數(shù)表示檢查條件，這里使用lambda函數(shù)最為簡單，如果這個(gè)函數(shù)返回的是true，wait()函數(shù)不會(huì)阻塞會(huì)直接返回，如果這個(gè)函數(shù)返回的是false，wait()函數(shù)就會(huì)阻塞著等待喚醒，如果被偽喚醒，會(huì)繼續(xù)判斷函數(shù)返回值。代碼示例如下：

#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;


int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;

condition_variable mycv;

//生產(chǎn)者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒鐘
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
		m_que.push_back(i);
		cout << "producted:" << i << endl;
		lcx.unlock();

		mycv.notify_one();
		i++;
	}

	cout << "product thread exit\n";
}

//消費(fèi)者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
	int i = 0;

	while (1)
	{
		std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);

		mycv.wait(lcx, [](){

			//返回false就繼續(xù)等待
			return !m_que.empty();
		});
				
		if (m_bflag)
		{
			break;
		}
		int i = m_que.back();
		m_que.pop_back();
		lcx.unlock();
		cout << "consumed:" << i << endl;
	
		
	}

	cout << "consumerex thread exit\n";
}

void main()
{
	std::thread t1(producterex);
	std::thread t2(consumerex);

	t1.detach();
	cout << "hello";
	t2.detach();
	cout << " world!\n";
	mycv.notify_one();
	Sleep(15000);
	m_que.push_back(100);
	mycv.notify_one();
	Sleep(3000);
	m_bflag = true;
	m_que.push_back(-1);
	mycv.notify_one();//通知線程退出
	getchar();
	system("pause");
}