深入理解条件变量

什么是条件变量

条件变量是线程的另外一种同步机制，这些同步对象为线程提供了会合的场所，理解起来就是两个（或者多个）线程需要碰头（或者说进行交互——一个线程给另外的一个或者多个线程发送消息），我们指定在条件变量这个地方发生，一个线程用于修改这个变量使其满足其它线程继续往下执行的条件，其它线程则接收条件已经发生改变的信号。

条件变量同互斥锁一起使用使得线程可以以一种无竞争的方式等待任意条件的发生。所谓无竞争就是，条件改变这个信号 会发送到所有等待这个信号的线程。而不是说一个线程接受到这个消息而其它线程就接收不到了。

为什么用条件变量？

假设一个进程中包含多个线程，这些线程共享变量 x，我们希望某个（或某些）线程等待 "x==10’ 条件成立后再执行后续的代码，该如何实现呢？

您可能想到用 while 循环实现，例如：

void* threadFun(void * args){
    while(x != 10){
        sleep(5);
    }
    // 待条件成立后，执行后续的代码
}

当线程执行此函数时，会判断 x 的值是否等于 10，如果不等则间隔 5 秒后再重复判断，直到 x 的值等于 10 ，线程才能执行后续的代码。

直观上看，while 循环确实能够阻塞线程，但这种方法存在严重的效率问题。当线程因条件不成立进入等待状态时，如果此时恰好有另一个线程将 x 的值改为 10，该线程必须等待 5 秒后才能继续执行。如果我们将等待时间缩短（或者直接将 sleep(5) 注释掉），线程将反复判断 x 的值是否等于 10，它可能会一直霸占着 CPU 资源，导致其它线程无法执行，x 变量的值会出现“长时间不改变”的情况。

一个条件变量可以阻塞多个线程，这些线程会组成一个等待队列。当条件成立时，条件变量可以解除线程的“被阻塞状态”。也就是说，条件变量可以完成以下两项操作：
阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号；
向等待队列中的一个或所有线程发送“条件成立”的信号，解除它们的“被阻塞”状态。

为什么pthread_cond_wait需要加锁？

pthread_cond_wait中的mutex用于保护条件变量，调用这个函数进行等待条件的发生时,mutex会被自动释放，以供其它线程（改变条件)，pthread_cond_wait中的两个步骤是原子性的。也就是说必须把两个步骤捆绑到一起：

• 把调用线程放到条件等待队列上。
• 释放mutex。

使用条件变量前需要加锁的原因主要涉及两个方面：保护共享数据 和 防止竞态条件。

保护共享数据

在多线程程序中，线程经常需要访问和修改共享数据。如果多个线程同时修改同一数据，可能会导致数据不一致或者程序崩溃。互斥锁用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享数据，从而保护数据的完整性。

防止竞态条件

竞态条件是指程序的行为依赖于多个线程的相对时间或顺序。在使用条件变量时，一个典型的竞态条件可能发生在检查条件和等待条件改变之间。比如，线程A检查到条件不满足并准备进入等待状态，这时如果没有互斥锁，线程B可能改变了条件并发送信号，但线程A可能错过这个信号（因为它还没有进入等待状态）。

条件变量的具体用法

初始化条件变量

初始化条件变量的方式有两种，一种是直接将 PTHREAD_COND_INITIALIZER 赋值给条件变量，例如：

pthread_cond_t myCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

还可以借助 pthread_cond_init() 函数初始化条件变量，语法格式如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond, const pthread_condattr_t * attr);
参数 cond 用于指明要初始化的条件变量；
参数 attr 用于自定义条件变量的属性，通常我们将它赋值为 NULL，表示以系统默认的属性完成初始化操作。
函数初始化成功时返回数字 0，反之函数返回非零数。

阻塞当前线程，等待条件成立

当条件不成立时，条件变量可以阻塞当前线程，所有被阻塞的线程会构成一个等待队列。

阻塞线程可以借助以下两个函数实现：

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex, const struct timespec* abstime); 
cond 参数表示已初始化好的条件变量；
mutex 参数表示与条件变量配合使用的互斥锁；abstime 参数表示阻塞线程的时间。
注意，abstime 参数指的是绝对时间，例如您打算阻塞线程 5 秒钟，那么首先要得到当前系统的时间，然后再加上 5 秒，最终得到的时间才是传递的实参值。

调用两个函数之前，我们必须先创建好一个互斥锁并完成“加锁”操作，然后才能作为实参传递给 mutex 参数。

两个函数会完成以下两项工作：
阻塞线程，直至接收到“条件成立”的信号；
当线程被添加到等待队列上时，将互斥锁“解锁”。

也就是说，函数尚未接收到“条件成立”的信号之前，它将一直阻塞线程执行。注意，当函数接收到“条件成立”的信号后，它并不会立即结束对线程的阻塞，而是先完成对互斥锁的“加锁”操作，然后才解除阻塞。

以上两个函数都能用来阻塞线程，它们的区别在于：pthread_cond_wait() 函数可以永久阻塞线程，直到条件变量成立的那一刻；pthread_cond_timedwait() 函数只能在 abstime 参数指定的时间内阻塞线程，超出时限后，该函数将重新对互斥锁执行“加锁”操作，并解除对线程的阻塞，函数的返回值为 ETIMEDOUT。

如果函数成功接收到了“条件成立”的信号，重新对互斥锁完成了“加锁”并使线程继续执行，函数返回数字 0，反之则返回非零数。

解除线程的“阻塞”状态

对于被 pthread_cond_wait() 或 pthread_cond_timedwait() 函数阻塞的线程，我们可以借助如下两个函数向它们发送“条件成立”的信号，解除它们的“被阻塞”状态：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);
cond 参数表示初始化好的条件变量。
当函数成功解除线程的“被阻塞”状态时，返回数字 0，反之返回非零数。

两个函数都能解除线程的“被阻塞”状态，区别在于：
pthread_cond_signal() 函数至少解除一个线程的“被阻塞”状态，如果等待队列中包含多个线程，优先解除哪个线程将由操作系统的线程调度程序决定；
pthread_cond_broadcast() 函数可以解除等待队列中所有线程的“被阻塞”状态。

由于互斥锁的存在，解除阻塞后的线程也不一定能立即执行。当互斥锁处于“加锁”状态时，解除阻塞状态的所有线程会组成等待互斥锁资源的队列，等待互斥锁“解锁”。

销毁条件变量

对于初始化好的条件变量，我们可以调用 pthread_cond_destory() 函数销毁它。

pthread_cond_destory() 函数的语法格式如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
cond 参数表示要销毁的条件变量。
如果函数成功销毁 cond 参数指定的条件变量，返回数字 0，反之返回非零数。

值得一提的是，销毁后的条件变量还可以调用 pthread_cond_init() 函数重新初始化后使用。

条件变量的实际应用

接下来，通过一个实例演示条件变量的具体用法。

#include 
#include 
#include 
#include 
//初始化互斥锁
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//初始化条件变量
pthread_cond_t myCond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//设置全局变量
int x = 0;
//线程执行的函数
void * waitForTrue(void *args) {
    int res;
    //条件变量阻塞线程之前，先对互斥锁执行“加锁”操作
    res = pthread_mutex_lock(&myMutex);
    if (res != 0) {
        printf("waitForTrue 加锁失败\n");
        return NULL;
    }
    printf("------等待 x 的值为 10\n");
    if (pthread_cond_wait(&myCond, &myMutex) == 0) {
        printf("x = %d\n", x);
    }
    //最终将互斥锁解锁
    pthread_mutex_unlock(&myMutex);
    return NULL;
}
//线程执行的函数
void * doneForTrue(void *args) {
    int res;
    while (x != 10) {
        //对互斥锁执行“加锁”操作
        res = pthread_mutex_lock(&myMutex);
        if (res == 0) {
            x++;
            printf("doneForTrue：x = %d\n", x);
            sleep(1);
            //对互斥锁“解锁”
            pthread_mutex_unlock(&myMutex);
        }
    }
    //发送“条件成立”的信号，解除 mythread1 线程的“被阻塞”状态
    res = pthread_cond_signal(&myCond);
    if (res != 0) {
        printf("解除阻塞失败\n");
    }
    return NULL;
}
int main() {
    int res;
    pthread_t mythread1, mythread2;
    res = pthread_create(&mythread1, NULL, waitForTrue, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("mythread1线程创建失败\n");
        return 0;
    }
    res = pthread_create(&mythread2, NULL, doneForTrue, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("mythread2线程创建失败\n");
        return 0;
    }
    //等待 mythread1 线程执行完成
    res = pthread_join(mythread1, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("1：等待线程失败\n");
    }
    //等待 mythread2 线程执行完成
    res = pthread_join(mythread2, NULL);
    if (res != 0) {
        printf("2：等待线程失败\n");
    }
    //销毁条件变量
    pthread_cond_destroy(&myCond);
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程如下：
[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
------等待 x 的值为 10
doneForTrue：x = 1
doneForTrue：x = 2
doneForTrue：x = 3
doneForTrue：x = 4
doneForTrue：x = 5
doneForTrue：x = 6
doneForTrue：x = 7
doneForTrue：x = 8
doneForTrue：x = 9
doneForTrue：x = 10
x = 10

程序中共创建了 2 个线程 mythread1 和 mythread2，其中 mythread1 线程借助条件变量实现了“直到变量 x 的值为 10 时，才继续执行后续代码”的功能，mythread2 线程用于将 x 的变量修改为 10，同时向 mythread1 线程发送“条件成立”的信号，唤醒 mythread1 线程并继续执行。