在C语言中使用条件变量实现线程同步

互斥量、原子操作都是实现线程同步的方法，今日介绍使用条件变量来实现线程同步。在多线程应用中，当某个线程的执行依赖于另一个线程对数据的处理时，这个线程可能没有被阻塞，只是不断地检查某个条件是否成立了（这个条件就是另一个线程对数据处理的结果的指示器），这是一种“忙等待”的方式实现线程间的同步。在实践中应该避免使用，因为忙等待需要让线程反复检查某个条件是否为真，浪费大量宝贵的 CPU 资源在无用的活动上。使用条件变量既可以尽量减少处理器资源的浪费，又能够解决线程间数据依赖的问题。

C 标准库还提供了与条件变量相关的常用函数：

• cnd_signal：发送条件变量，唤醒阻塞在cnd_wait调用处的线程
• cnd_wait：阻塞线程，将线程加入等待队列，将会被cnd_signal唤醒
• cnd_broadcast：唤醒所有在等待某个条件变量的线程
• cnd_timedwait：带超时限制的cnd_wait

实例如下：

#include <threads.h>
#include <stdio.h>

mtx_t mutex;// 互斥量
cnd_t cond; // 条件变量
int done = 0;
int run(void* arg){
	mtx_lock(&mutex);//加锁
	done = 1;
	cnd_signal(&cond);//发送条件信号
	mtx_unlock(&mutex);//解锁
	return thrd_success;
}

int main(void){
#ifndef __STDC_NO_THREADS__
	mtx_init(&mutex,mtx_plain);//初始化互斥量
	cnd_init(&cond);//初始化条件变量
	thrd_t thread;
	thrd_create(&thread,run,NULL);//创建线程
	mtx_lock(&mutex);//加锁
	while(done == 0){
		cnd_wait(&cond,&mutex);//让当前线程进入等待队列，后续被唤醒后，互斥量会再次上锁
	}	
	mtx_unlock(&mutex);//解锁
	printf("The value of done is %d.\n",done);
	mtx_destroy(&mutex); 
	cnd_destroy(&cond); // 销毁条件变量
#endif
	return 0;
}

在上述程序中，在 main 线程中，调用了与条件变量相关的函数 cnd_wait。该函数在被调用时，需要当前线程获得一个互斥锁，并将其作为实参传递给它，该函数调用后锁会被释放。同时，所有执行到此处的线程都将被阻塞。

子线程会执行run方法，run方法里会对done加1，然后调用函数 cnd_signal发送条件信号，唤醒所有之前被阻塞在函数 cnd_wait 处的线程，来让它们中的一个可以继续运行。在我们的例子中，只有 main 函数对应的一个线程，所以此时，互斥量将被重新上锁，main 线程将继续执行接下来的指令。

这样一来，某个线程可以在完成了某件事情后，通知并唤醒等待线程，让其继续工作，完成接下来的任务。而在此过程中，不需要线程频繁查询标志量。CPU 资源也得到了更好的利用。在并发编程中，通过条件变量，可以进一步实现监视器、管程等工具和同步原语。它也能够很好地解决生产者 - 消费者问题。