C/C++条件变量使用说明

C/C++条件变量使用说明

一、使用方法

C语言中，条件变量主要配合互斥锁，用于实现“生产者-消费者”模型，使用方法如下：
生产者：

1. 获取互斥锁 pthread_mutex_lock
2. 生产商品
3. 通知消费者 pthread_cond_signal
4. 释放互斥锁 pthread_mutex_unlock

消费者：

1. 获取互斥锁 pthread_mutex_lock
2. 判断是否存在可消费商品，是则执行3，否则等待生产者通知，直到存在商品 pthread_cond_wait
3. 消费商品
4. 释放互斥锁 pthread_mutex_unlock

二、原理分析

1、条件变量存在的意义

在“生产者-消费者”模型中，有两大需求：

1. 保护临界资源“商品”。
2. “商品”生产完成后，及时通知消费者。
   针对需求1，可以使用互斥锁，保证临界资源的安全；针对需求2，初始的想法是，是否可以复用需求1中的互斥锁呢，因为当消费者去获取锁时，如果该锁正被生产者占用，那么消费者线程将被挂起，随者生产者完成本次商品的生产释放锁，消费者线程就立刻被唤醒，似乎是可以满足需求的，流程变为如下所示：
   生产者：

1. 获取互斥锁 pthread_mutex_lock
2. 生产商品
3. 通知消费者 pthread_cond_signal
4. 释放互斥锁 pthread_mutex_unlock

消费者：

1. 获取互斥锁 pthread_mutex_lock
2. 判断是否存在可消费商品，是则执行3，否则等待生产者通知，直到存在商品 pthread_cond_wait
3. 消费商品
4. 释放互斥锁 pthread_mutex_unlock

通过简单分析，就可以得出，该方式存在巨大问题：在生产者未进行生产时，消费者每次都将无任何阻碍的获得锁，发现没有商品，又立刻释放锁，从而导致线程空转，极大占用CPU处理能力。
因此，需要引入一种机制，当消费者发现无商品可处理时，将自身挂起，当有新的商品产生时，立刻唤醒处理，由此，条件变量便产生了。

2、条件变量的本质

等待条件变量(pthread_cond_wait)可依次拆分为三个操作：释放互斥锁、等待在条件变量上、再次获取互斥锁。由此，可以理解消费者检查商品并等待的逻辑为：

while(没有商品?)
    pthread_cond_wait(mutex);

即判断如果没有商品，则释放互斥锁，等待在条件变量上；当生产者生产了商品后，消费者立刻被唤醒，又再次获取互斥锁，重复以上的逻辑。

三、举例说明

为了使代码更简练，使用c++进行举例，说明如何使用条件变量，实现“生产者-消费者”模型：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <string>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <unistd.h>

using namespace std;

mutex m;
condition_variable cv;
atomic<bool> stop(false);
unsigned int products = 0;

void consumer_thead()
{
    while(!stop || products) {
        unique_lock<mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return products;});
        cout << "consumer thread is consuming product, remain " 
             << products << "\n";
        products--;
    }
}

void producer_thread()
{
    int total = 0;
    while(!stop) {
        m.lock();
        products += 2;
        total += 2;
        cout << "producer thread produced product, remain " 
             << products << " total " << total << endl;
        if (10 <= total) {
            cout << "will stop produce" << endl;
        	stop = true;
        }
        cv.notify_one();
        m.unlock();
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    thread consumer(consumer_thead);
    thread producer(producer_thread);

    consumer.join();
    producer.join();
    return 0;
}