c++怎么使用条件变量实现生产者消费者模型_c++条件变量同步机制详解

使用条件变量实现生产者消费者模型，通过not_full和not_empty两个条件变量协调线程，生产者在缓冲区不满时添加数据并通知消费者，消费者在缓冲区不空时取出数据并通知生产者，结合互斥锁保护共享队列，避免竞争和虚假唤醒，确保线程安全与高效协作。

在C++中，使用条件变量实现生产者消费者模型是一种典型的多线程同步问题。核心目标是让生产者线程在缓冲区满时等待，消费者线程在缓冲区空时等待，通过条件变量协调线程间的协作，避免资源竞争和无效轮询。

条件变量的基本机制

条件变量（std::condition_variable）通常与互斥锁（std::mutex）配合使用，用于阻塞线程直到某个条件成立。关键函数包括：

• wait(lock, predicate)：释放锁并阻塞线程，直到被唤醒且条件满足
• notify_one()：唤醒一个等待的线程
• notify_all()：唤醒所有等待的线程

使用条件变量时，必须配合互斥锁保护共享数据，防止竞态条件。

生产者消费者模型的实现步骤

假设有一个固定大小的缓冲区，多个生产者向其中添加数据，多个消费者从中取出数据。

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实现要点：

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• 定义共享缓冲区（如std::queue）并用互斥锁保护
• 定义两个条件变量：not_full（缓冲区未满）和not_empty（缓冲区非空）
• 生产者在插入前等待not_full，插入后通知not_empty
• 消费者在取出前等待not_empty，取出后通知not_full

代码示例

以下是一个简单的C++实现：

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

std::queue<int> buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable not_full;
std::condition_variable not_empty;
const int max_size = 5;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        not_full.wait(lock, []{ return buffer.size() < max_size; });
        buffer.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced: " << i << "\n";
        not_empty.notify_all();
    }
}

void consumer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        not_empty.wait(lock, []{ return !buffer.empty(); });
        int value = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << value << "\n";
        not_full.notify_all();
    }
}

主函数中启动多个生产者和消费者线程即可看到交替执行的效果。

注意事项与常见问题

使用条件变量时需注意：

• 始终在wait中使用谓词（predicate），防止虚假唤醒
• 确保每次修改共享状态后正确调用notify
• 避免死锁：不要在持有锁的情况下长时间执行其他操作
• 选择notify_one还是notify_all取决于是否有多个线程等待同一条件

基本上就这些。合理使用条件变量能有效实现线程间同步，是掌握并发编程的重要一步。

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