c++多线程为何要使用条件变量详解

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;


//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		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";
}

//消费者
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");
}

结果：

可见cpu使用率非常高。高的原因主要在消费者线程中，因为当队列为空的时候它也要执行，做了过多的无用功导致CPU占有率过高，所以下面对进行一个改造让其在空的时候等待200毫秒，相当于增大了轮询间隔周期，应该能降低CPU的占用率。

在这里就贴上消费者的线程，因为其它的都一样。

//消费者
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";
}

结果：

可见CPU占用率一下子下降了。

这里就有一个困难了，那就是如何确定休眠的时间间隔（即轮询间隔周期），如果间隔太短会过多占用CPU资源，如果间隔太长会因无法及时响应造成延误。

这就引入了条件变量来解决该问题：条件变量使用“通知—唤醒”模型，生产者生产出一个数据后通知消费者使用，消费者在未接到通知前处于休眠状态节约CPU资源；当消费者收到通知后，赶紧从休眠状态被唤醒来处理数据，使用了事件驱动模型，在保证不误事儿的情况下尽可能减少无用功降低对资源的消耗。

condition_variable介绍
在C++11中，我们可以使用条件变量（condition_variable）实现多个线程间的同步操作；当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。

成员函数如下：

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：

a.一个线程因等待"条件变量的条件成立"而挂起；

b.另外一个线程使"条件成立"，给出信号，从而唤醒被等待的线程。

为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起；通常情况下这个锁是std::mutex，并且管理这个锁 只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板类。

上面提到的两个步骤，分别是使用以下两个方法实现：

1.等待条件成立使用的是condition_variable类成员wait 、wait_for 或 wait_until。

2.给出信号使用的是condition_variable类成员notify_one或者notify_all函数。

以上两个类型的wait函数都在会阻塞时，自动释放锁权限，即调用unique_lock的成员函数unlock（），以便其他线程能有机会获得锁。这就是条件变量只能和unique_lock一起使用的原因，否则当前线程一直占有锁，线程被阻塞。

虚假唤醒

在正常情况下，wait类型函数返回时要不是因为被唤醒，要不是因为超时才返回，但是在==实际中发现，因此操作系统的原因，wait类型在不满足条件时，它也会返回，这就导致了虚假唤醒。==因此，我们一般都是使用带有谓词参数的wait函数，因为这种(xxx, Predicate pred )类型的函数等价于：

while (!pred()) //while循环，解决了虚假唤醒的问题
{
    wait(lock);
}

原因说明如下：

假设系统不存在虚假唤醒的时，代码形式如下：

if (不满足xxx条件)
{
    //没有虚假唤醒，wait函数可以一直等待，直到被唤醒或者超时，没有问题。
    //但实际中却存在虚假唤醒，导致假设不成立，wait不会继续等待，跳出if语句，
    //提前执行其他代码，流程异常
    wait();  
}


//其他代码
...

正确的使用方式，使用while语句解决：

while (!(xxx条件) )
{
    //虚假唤醒发生，由于while循环，再次检查条件是否满足，
    //否则继续等待，解决虚假唤醒
    wait();  
}
//其他代码
....

下面看一个使用条件变量的情况：

#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;

//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		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";
}

//消费者
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())
		{
			//避免虚假唤醒
			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();//通知线程退出
	getchar();
	system("pause");
}

结果：

还可以将mycv.wait(lcx);换一种写法，wait()的第二个参数可以传入一个函数表示检查条件，这里使用lambda函数最为简单，如果这个函数返回的是true，wait()函数不会阻塞会直接返回，如果这个函数返回的是false，wait()函数就会阻塞着等待唤醒，如果被伪唤醒，会继续判断函数返回值。代码示例如下：

#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;

//生产者

void producterex()
{
	int i = 1;
	while (i<nmax)
	{
		//休眠一秒钟
		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";
}

//消费者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
	int i = 0;

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

		mycv.wait(lcx, [](){

			//返回false就继续等待
			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();//通知线程退出
	getchar();
	system("pause");
}

总结

到此这篇关于c++多线程为何要使用条件变量的文章就介绍到这了,更多相关c++多线程条件变量内容请搜索猪先飞以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持猪先飞！