c++中怎么使用条件变量(condition_variable)_c++条件变量同步机制详解

条件变量需与互斥锁配合使用，实现线程间同步。1. 使用 std::condition_variable 与 std::unique_lock 实现等待/通知机制；2. wait() 应结合谓词防止虚假唤醒；3. notify_one() 唤醒单个线程，notify_all() 唤醒所有等待线程；4. 共享数据修改和通知必须在锁保护下进行，避免竞态条件；5. 典型应用包括生产者-消费者模型、线程池调度和异步结果获取。

条件变量（std::condition_variable）是 C++ 多线程编程中用于线程同步的重要机制之一。它通常与互斥锁（std::mutex）配合使用，允许一个或多个线程等待某个条件成立，而另一个线程在条件达成时通知这些等待的线程继续执行。

条件变量的基本组成

在 C++ 中使用条件变量需要包含头文件 red"><condition_variable>，主要涉及以下组件：

• std::condition_variable：标准条件变量类型，需配合 std::mutex 使用。
• std::mutex 和 std::unique_lock<std::mutex>：保护共享数据并用于条件变量的等待操作。
• wait()、notify_one()、notify_all()：核心控制方法。

基本用法：生产者-消费者模型示例

下面是一个典型的使用条件变量实现的生产者-消费者模型：

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

std::queue<int> data_queue;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool finished = false;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "生产: " << i << "\n";
        lock.unlock(); // 可选：提前释放锁
        cv.notify_one(); // 唤醒一个消费者
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        finished = true;
    }
    cv.notify_all(); // 通知所有等待线程任务结束
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        // 等待队列非空或任务结束
        cv.wait(lock, [] { 
            return !data_queue.empty() || finished; 
        });

        if (!data_queue.empty()) {
            int value = data_queue.front();
            data_queue.pop();
            std::cout << "消费: " << value << "\n";
        }

        if (data_queue.empty() && finished) {
            break; // 退出循环
        }
        lock.unlock();
    }
    std::cout << "消费者退出。\n";
}

主函数启动两个线程：

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int main() {
    std::thread p(producer);
    std::thread c(consumer);

    p.join();
    c.join();
    return 0;
}

关键点说明

1. wait() 的正确使用方式

调用 cv.wait(lock, predicate) 是推荐做法。第二个参数是一个 lambda 或函数，表示“继续运行的条件”。如果条件不满足，线程自动释放锁并进入阻塞状态；当被唤醒后，会重新获取锁并检查条件。

如果不使用谓词，必须手动加循环判断：

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while (!data_queue.empty()) {
    cv.wait(lock);
}

否则可能因虚假唤醒（spurious wakeup）导致错误行为。

2. notify_one() vs notify_all()

• notify_one()：唤醒一个等待中的线程，适用于只有一个线程需要处理任务的场景（如单个消费者）。
• notify_all()：唤醒所有等待线程，适合广播式通知，例如资源可用或程序终止信号。

3. 锁的作用范围

条件变量的 wait() 操作必须传入 std::unique_lock<std::mutex>，因为 wait 期间需要原子地释放锁和进入等待状态。普通 lock_guard 不支持中途解锁。

4. 避免死锁和竞态条件

• 始终在持有锁的情况下修改被条件依赖的共享变量（如队列、标志位）。
• 确保 notify 调用发生在状态变更之后，并且在锁的保护下进行更安全。

常见应用场景

• 线程池任务调度：工作线程等待任务队列非空。
• 异步结果获取：一个线程等待另一个线程完成计算并通知。
• 资源就绪通知：如网络连接建立、文件加载完成等事件触发后续操作。

基本上就这些。合理使用条件变量可以高效协调多线程协作，但要特别注意锁的粒度、条件判断的完整性以及避免遗漏通知。掌握好这个机制，对编写稳定可靠的并发程序非常有帮助。

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