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使用條件變量的坑你知道嗎

想必大家開發(fā)過程中都會用到多線程，用到多線程基本上都會用到條件變量，你理解的條件變量只是簡單的wait和notify嗎，最近工作中看同事也都只是簡單的使用wait和notify，導致項目出現(xiàn)bug卻不知如何fix bug，其實這里面還是有一些坑的，程序喵這里總結給大家。

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1. 什么是條件變量?

條件變量是多線程程序中用來實現(xiàn)等待和喚醒邏輯常用的方法。通常有wait和notify兩個動作，wait用于阻塞掛起線程A，直到另一個線程B通過通過notify喚醒線程A，喚醒后線程A會繼續(xù)運行。

條件變量在多線程中很常用，在有名的生產者和消費者問題中，消費者如何知道生成者是否生產出了可以消費的產品，通過while循環(huán)不停的去判斷是否有可消費的產品?眾所周知，死循環(huán)極其消耗CPU性能，所以需要使用條件變量來阻塞線程，降低CPU占用率。

2. 條件變量的使用

拿生產者和消費者問題舉例，看下面這段代碼：

 
 
 
    
  
  
  
  1. std::mutex mutex; 
    2. 
  
  
  
  2. std::condition_variable cv; 
    3. 
  
  
  
  3. std::vector vec; 
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. void Consume() { 
    6. 
  
  
  
  6.   std::unique_lock lock(mutex); 
    7. 
  
  
  
  7.   cv.wait(lock); 
    8. 
  
  
  
  8.   std::cout << "consume " << vec.size() << "\n"; 
    9. 
  
  
  
  9. } 
    10. 
  
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  
  11. void Produce() { 
    12. 
  
  
  
  12.   std::unique_lock lock(mutex); 
    13. 
  
  
  
  13.   vec.push_back(1); 
    14. 
  
  
  
  14.   cv.notify_all(); 
    15. 
  
  
  
  15.   std::cout << "produce \n"; 
    16. 
  
  
  
  16. } 
    17. 
  
  
  
  17.  
    18. 
  
  
  
  18. int main() { 
    19. 
  
  
  
  19.   std::thread t(Consume); 
    20. 
  
  
  
  20.   t.detach(); 
    21. 
  
  
  
  21.   Produce(); 
    22. 
  
  
  
  22.   return 0; 
    23. 
  
  
  
  23. } 
    24.

本意是消費者線程阻塞，等待生產者生產數(shù)據后去通知消費者線程，這樣消費者線程就可以拿到數(shù)據去消費。

但這里有個問題：

如果先執(zhí)行的Produce()，后執(zhí)行的Consume()，生產者提前生產出了數(shù)據，去通知消費者，但是此時消費者線程如果還沒有執(zhí)行到wait語句，即線程還沒有處于掛起等待狀態(tài)，線程沒有等待此條件變量上，那通知的信號就丟失了，后面Consume()中才執(zhí)行wait處于等待狀態(tài)，但此時生產者已經不會再觸發(fā)notify，那消費者線程就會始終阻塞下去，出現(xiàn)bug。

如何解決這個問題呢?可以附加一個判斷條件，就可以解決這種信號丟失問題，見代碼：

 
 
 
    
  
  
  
  1. std::mutex mutex; 
    2. 
  
  
  
  2. std::condition_variable cv; 
    3. 
  
  
  
  3. std::vector vec; 
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. void Consumer() { 
    6. 
  
  
  
  6.   std::unique_lock lock(mutex); 
    7. 
  
  
  
  7.   if (vec.empty()) { // 加入此判斷條件 
    8. 
  
  
  
  8.       cv.wait(lock); 
    9. 
  
  
  
  9.   } 
    10. 
  
  
  
  10.   std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n"; 
    11. 
  
  
  
  11. } 
    12. 
  
  
  
  12.  
    13. 
  
  
  
  13. void Produce() { 
    14. 
  
  
  
  14.   std::unique_lock lock(mutex); 
    15. 
  
  
  
  15.   vec.push_back(1); 
    16. 
  
  
  
  16.   cv.notify_all(); 
    17. 
  
  
  
  17.   std::cout << "produce \n"; 
    18. 
  
  
  
  18. } 
    19. 
  
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  
  20. int main() { 
    21. 
  
  
  
  21.   std::thread t(Consumer); 
    22. 
  
  
  
  22.   t.detach(); 
    23. 
  
  
  
  23.   Produce(); 
    24. 
  
  
  
  24.   return 0; 
    25. 
  
  
  
  25. } 
    26.

通過增加附加條件可以解決信號丟失的問題，但這里還有個地方需要注意，消費者線程處于wait阻塞狀態(tài)時，即使沒有調用notify，操作系統(tǒng)也會有一些概率會喚醒處于阻塞的線程，使其繼續(xù)執(zhí)行下去，這就是虛假喚醒問題，當出現(xiàn)了虛假喚醒后，消費者線程繼續(xù)執(zhí)行，還是沒有可以消費的數(shù)據，出現(xiàn)了bug。

那怎么解決虛假喚醒的問題呢，可以在線程由阻塞狀態(tài)被喚醒后繼續(xù)判斷附加條件，看是否滿足喚醒的條件，如果滿足則繼續(xù)執(zhí)行，如果不滿足，則繼續(xù)去等待，體現(xiàn)在代碼中，即將if判斷改為while循環(huán)判斷，見代碼：

 
 
 
    
  
  
  
  1. std::mutex mutex; 
    2. 
  
  
  
  2. std::condition_variable cv; 
    3. 
  
  
  
  3. std::vector vec; 
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. void Consumer() { 
    6. 
  
  
  
  6.   std::unique_lock lock(mutex); 
    7. 
  
  
  
  7.   while (vec.empty()) { // 將if改為while 
    8. 
  
  
  
  8.       cv.wait(lock); 
    9. 
  
  
  
  9.   } 
    10. 
  
  
  
  10.   std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n"; 
    11. 
  
  
  
  11. } 
    12. 
  
  
  
  12.  
    13. 
  
  
  
  13. void Produce() { 
    14. 
  
  
  
  14.   std::unique_lock lock(mutex); 
    15. 
  
  
  
  15.   vec.push_back(1); 
    16. 
  
  
  
  16.   cv.notify_all(); 
    17. 
  
  
  
  17.   std::cout << "produce \n"; 
    18. 
  
  
  
  18. } 
    19. 
  
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  
  20. int main() { 
    21. 
  
  
  
  21.   std::thread t(Consumer); 
    22. 
  
  
  
  22.   t.detach(); 
    23. 
  
  
  
  23.   Produce(); 
    24. 
  
  
  
  24.   return 0; 
    25. 
  
  
  
  25. } 
    26.

看到這里相信你已經明白條件變量的使用啦，需要使用while循環(huán)附加判斷條件來解決條件變量的信號丟失和虛假喚醒問題。

3. 有沒有更簡單的“避坑”方式

難道我們每次都必須要使用while循環(huán)和附加條件來操作條件變量嗎?這豈不是很麻煩?

NO!

在C++中其實有更好的封裝，只需要調用wait函數(shù)時，在參數(shù)中直接添加附加條件就好了，內部已經做好了while循環(huán)判斷，直接使用即可，見代碼：

 
 
 
    
  
  
  
  1. std::mutex mutex; 
    2. 
  
  
  
  2. std::condition_variable cv; 
    3. 
  
  
  
  3. std::vector vec; 
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. void Consumer() { 
    6. 
  
  
  
  6.   std::unique_lock lock(mutex); 
    7. 
  
  
  
  7.   cv.wait(lock, [&](){ return !vec.empty(); }); // 這里可以直接使用C++的封裝 
    8. 
  
  
  
  8.   std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n"; 
    9. 
  
  
  
  9. } 
    10. 
  
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  
  11. void Produce() { 
    12. 
  
  
  
  12.   std::unique_lock lock(mutex); 
    13. 
  
  
  
  13.   vec.push_back(1); 
    14. 
  
  
  
  14.   cv.notify_all(); 
    15. 
  
  
  
  15.   std::cout << "produce \n"; 
    16. 
  
  
  
  16. } 
    17. 
  
  
  
  17.  
    18. 
  
  
  
  18. int main() { 
    19. 
  
  
  
  19.   std::thread t(Consumer); 
    20. 
  
  
  
  20.   t.detach(); 
    21. 
  
  
  
  21.   Produce(); 
    22. 
  
  
  
  22.   return 0; 
    23. 
  
  
  
  23. } 
    24.

但在C語言中就沒辦法啦，大家只能自己做一層封裝啦。

4. 為什么條件變量需要和鎖配合使用?

為什么叫條件變量呢?

因為內部是通過判斷及修改某個全局變量來決定線程的阻塞與喚醒，多線程操作同一個變量肯定需要加鎖來使得線程安全。同時，一個簡單的wait函數(shù)調用內部會很復雜的，有可能線程A調用了wait函數(shù)但是還沒有進入到wait阻塞等待前，另一個線程B在此時卻調用了notify函數(shù)，此時nofity的信號就丟失啦，如果加了鎖，線程B必須等待線程A釋放了鎖并進入了等待狀態(tài)后才可以調用notify，繼而防止信號丟失。

關于條件變量就介紹到這里，希望大家能有所收獲，平時使用過程中可以避掉條件變量的坑。


本文題目：使用條件變量的坑你知道嗎
文章位置：http://www.5511xx.com/article/dpioiee.html