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C++内存模型与条件变量结合使用方法

P粉602998670

发布： 2025-09-16 14:10:01

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C++内存模型与条件变量结合可实现多线程同步，内存模型通过内存顺序控制共享变量的可见性，条件变量配合互斥锁实现线程等待与唤醒，避免数据竞争和虚假唤醒，提升并发程序的正确性与性能。

c++内存模型与条件变量结合使用方法

C++内存模型和条件变量结合使用，是为了在多线程环境下实现高效且安全的同步。简单来说，内存模型定义了线程如何访问和修改共享变量，而条件变量则允许线程在特定条件满足时挂起和恢复执行。它们共同作用，可以避免数据竞争、死锁等问题，构建可靠的并发程序。

解决方案

C++内存模型主要关注的是不同线程对共享变量的可见性问题。它定义了各种内存顺序，例如

std::memory_order_relaxed

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、

std::memory_order_acquire

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、

std::memory_order_release

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、

std::memory_order_acq_rel

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和

std::memory_order_seq_cst

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。选择合适的内存顺序对于保证程序的正确性和性能至关重要。

条件变量，

std::condition_variable

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，通常与互斥锁

std::mutex

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一起使用。线程首先获取互斥锁，然后检查某个条件。如果条件不满足，线程就调用

wait()

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方法在条件变量上挂起，并释放互斥锁。当另一个线程改变了条件并调用

notify_one()

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或

notify_all()

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方法时，等待的线程会被唤醒，重新获取互斥锁，并再次检查条件。

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一个常见的模式是：

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
int data = 0;

void producer() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟生产过程
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
        data = 10;
        ready = true;
        std::cout << "Producer: Data is ready!" << std::endl;
    }
    cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程
}

void consumer() {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, []{ return ready; }); // 等待，直到 ready 为 true
    std::cout << "Consumer: Data received: " << data << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

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在这个例子中，

producer

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线程修改了

ready

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和

data

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变量，并通知

consumer

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线程。

consumer

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线程使用

cv.wait()

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等待

ready

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变为

true

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。注意，

cv.wait()

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的第二个参数是一个谓词，用于防止虚假唤醒。

如何选择合适的内存顺序来保证线程安全？

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选择合适的内存顺序取决于具体的应用场景。如果只是简单地更新一个计数器，

std::memory_order_relaxed

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可能就足够了。但是，如果需要保证某个操作在另一个操作之前发生，就需要使用更强的内存顺序，例如

std::memory_order_release

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和

std::memory_order_acquire

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。例如，在上面的生产者-消费者例子中，如果

ready

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变量使用

std::memory_order_release

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写入，而

consumer

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线程使用

std::memory_order_acquire

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读取，就可以保证

producer

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线程在设置

ready

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为

true

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之前对

data

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的修改对

consumer

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线程可见。

需要注意的是，过度使用强内存顺序可能会降低程序的性能。因此，在选择内存顺序时，需要在线程安全性和性能之间进行权衡。

条件变量的虚假唤醒是什么，如何避免？

虚假唤醒是指线程在没有被显式通知的情况下从

wait()

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方法返回。这可能是由于系统中断、调度或其他原因引起的。为了避免虚假唤醒导致的问题，应该始终在

wait()

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方法中使用一个谓词来检查条件是否真的满足。例如，在上面的例子中，

cv.wait(lck, []{ return ready; })

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确保

consumer

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线程只有在

ready

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为

true

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时才会继续执行。即使发生了虚假唤醒，谓词也会返回

false

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，导致线程继续等待。

除了

notify_one()

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，
notify_all()
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有什么使用场景？

notify_one()

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唤醒一个等待的线程，而

notify_all()

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唤醒所有等待的线程。

notify_all()

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通常用于以下场景：

当多个线程都在等待同一个条件，并且任何一个线程都可以处理该条件时。例如，多个线程都在等待一个资源可用，一旦资源可用，所有线程都应该尝试获取该资源。
当条件的改变可能会影响多个线程时。例如，一个线程修改了一个全局配置，所有依赖于该配置的线程都需要重新加载配置。
当无法确定哪个线程最适合处理该条件时。在这种情况下，唤醒所有线程可以让它们自己决定是否需要执行。

但是，

notify_all()

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可能会导致惊群效应，即所有被唤醒的线程都尝试获取互斥锁，但只有一个线程能够成功，其他线程又会重新进入等待状态。因此，在选择使用

notify_one()

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还是

notify_all()

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时，需要仔细考虑具体的应用场景。通常情况下，如果只需要唤醒一个线程，应该优先使用

notify_one()

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。

以上就是C++内存模型与条件变量结合使用方法的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！

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