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条件变量和信号量的区别

article 2025/2/24 15:04:20

条件变量 vs 信号量

1. 条件变量 (`std::condition_variable`)

📌 作用

适用于线程间的等待和通知机制，即一个线程等待某个条件成立，而另一个线程在条件满足时通知它。
需要与**互斥锁（std::mutex）**配合使用，以保证对共享资源的访问是安全的。

📌 工作方式

线程获取锁 (std::unique_lock<std::mutex>)
使用 wait() 进入等待状态，自动释放锁
另一个线程修改条件后，调用 notify_one() 或 notify_all() 进行通知
wait() 被唤醒后，重新获取锁，并检查条件是否满足，若满足则继续执行

📌 代码示例

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });  // 释放锁并等待
    std::cout << "Worker is running!\n";
}

int main() {
    std::thread t(worker);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    {  // 作用域保证锁的正确释放
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();  // 唤醒一个线程

    t.join();
    return 0;
}

📌 特性

✅ 等待时释放锁，避免死锁
✅ 适用于复杂条件的同步（例如等待任务队列不为空）
❌ 只能用于线程间的同步，不能跨进程
❌ 等待时可能会发生虚假唤醒（Spurious Wakeup），所以通常需要在 wait() 里重复检查条件

2. 信号量 (`std::counting_semaphore` / `std::binary_semaphore`)

📌 作用

用于限制资源的访问数量，如控制线程池的并发数，或者控制对某个资源的访问次数。
不依赖互斥锁 (std::mutex)，可以在多个线程或进程之间同步。

📌 工作方式

信号量有一个初始计数值（代表可用资源数量）
acquire()（P 操作）：等待资源可用，然后减少计数
release()（V 操作）：增加计数，通知其他等待线程

📌 代码示例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <semaphore>  // C++20 引入的信号量

std::counting_semaphore<2> sem(2);  // 允许最多2个线程访问

void worker(int id) {
    sem.acquire();  // 请求资源
    std::cout << "Worker " << id << " is running\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    sem.release();  // 释放资源
}

int main() {
    std::thread t1(worker, 1);
    std::thread t2(worker, 2);
    std::thread t3(worker, 3);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    return 0;
}

📌 特性

✅ 不会发生虚假唤醒
✅ 适用于资源管理（如限制并发数）
✅ 不依赖互斥锁，可用于跨进程同步
❌ 只能用于计数，不适用于复杂条件等待（如“任务队列不为空”这种条件）

3. 条件变量 vs 信号量

对比项	条件变量 (`std::condition_variable`)	信号量 (`std::counting_semaphore`)
适用场景	线程间的等待和通知（如任务队列）	资源访问控制（如线程池、流量控制）
依赖互斥锁	需要 `std::mutex`	不需要 `std::mutex`
等待时是否释放锁	是，等待时释放锁	不适用（不依赖锁）
是否可能虚假唤醒	是（必须在 `wait()` 里检查条件）	不会发生
是否可用于跨进程	否	是（POSIX 信号量）
适用于复杂条件	适用（如“任务队列不为空”）	不适用（只能计数）