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C++中的条件变量（condition_variable）详解：小白版

article 2025/1/14 16:58:55

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在编程中，我们经常需要处理多个任务，这些任务可能需要同时运行，也可能需要按照一定的顺序运行。这就涉及到了线程的概念。线程就像是一个小程序，它可以在程序中独立运行，而且可以和其他线程并行执行。

但是，有时候我们需要控制线程的执行顺序，比如有两个线程A和B，我们希望A执行完后，B才能开始执行。这就需要一种机制来同步线程的执行，这就是条件变量（std::condition_variable）的作用。

1. 什么是条件变量？

条件变量是一种特殊的变量，它可以让一个线程在某个条件成立之前等待，当条件成立时，这个线程就可以继续执行。条件变量通常和另一种叫做互斥锁（std::mutex）的东西一起使用，互斥锁可以保证在同一时间只有一个线程能访问某个资源。

2. 条件变量是如何工作的？

假设我们有两个线程A和B，我们希望A执行完后，B才能开始执行。我们可以这样做：

创建一个条件变量和一个互斥锁。
在A线程中，我们先锁定互斥锁，然后执行A线程的任务，任务完成后，我们解锁互斥锁，并通知条件变量。
在B线程中，我们也先锁定互斥锁，然后让B线程等待条件变量。当A线程通知条件变量后，B线程就会被唤醒，然后执行B线程的任务。

3. 条件变量的主要方法

条件变量有三个主要的方法：

wait：这个方法会让当前线程等待，直到条件变量被通知。
notify_one：这个方法会唤醒一个等待的线程。
notify_all：这个方法会唤醒所有等待的线程。

4. 条件变量的使用实例

让我们通过一个简单的实例来理解条件变量的使用。假设我们有两个线程，一个生产者线程和一个消费者线程。生产者线程负责生成数据，消费者线程负责处理数据。我们希望当生产者线程生成了数据后，消费者线程才开始处理数据。

首先，我们需要包含必要的头文件，并定义一些全局变量：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;  // 用于表示数据是否已经生成

然后，我们定义生产者线程的函数：

void producer() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));  // 模拟数据生成过程
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;  // 数据已经生成
    cv.notify_one();  // 通知消费者线程
}

接着，我们定义消费者线程的函数：

void consumer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{return ready;});  // 等待数据生成
    std::cout << "Consumer thread is processing data...\n";
    // 模拟数据处理过程
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << "Data processed.\n";
}

最后，我们在主函数中启动这两个线程：

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

运行这个程序，你会看到消费者线程会等待生产者线程生成数据，当数据生成后，消费者线程才开始处理数据。

5. 生产者消费者问题的扩展

在上述的生产者消费者问题中，我们只有一个生产者和一个消费者。但在实际的应用中，我们可能会有多个生产者和消费者。此时，我们需要使用一个队列来存储数据，生产者将数据放入队列，消费者从队列中取出数据。

首先，我们需要定义一个队列和一些全局变量：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> data_queue;  // 数据队列
bool finished = false;  // 用于表示生产者是否已经完成数据生成

然后，我们定义生产者线程的函数：

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  // 模拟数据生成过程
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced data " << i << std::endl;
        cv.notify_one();  // 通知消费者线程
    }
}

接着，我们定义消费者线程的函数：

void consumer(int id) {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{return !data_queue.empty() || finished;});  // 等待数据生成
        while (!data_queue.empty()) {
            int data = data_queue.front();
            data_queue.pop();
            std::cout << "Consumer " << id << " consumed data " << data << std::endl;
            // 模拟数据处理过程
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        }
        if (data_queue.empty() && finished) {
            break;
        }
    }
}

最后，我们在主函数中启动这些线程：

int main() {
    std::thread producers[2];
    std::thread consumers[2];
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        producers[i] = std::thread(producer, i + 1);
        consumers[i] = std::thread(consumer, i + 1);
    }
    for (auto &p : producers) {
        p.join();
    }
    finished = true;
    cv.notify_all();
    for (auto &c : consumers) {
        c.join();
    }
    return 0;
}