c++如何使用std::condition_variable进行线程通信_C++线程同步与等待机制实现

std::condition_variable用于线程同步，需与std::mutex配合使用，典型场景如生产者-消费者模型；其核心是等待条件成立，通过wait()阻塞线程，由notify_one()或notify_all()唤醒，必须用unique_lock并在循环中检查条件以避免虚假唤醒。

在C++多线程编程中，std::condition_variable 是实现线程间通信和同步的重要工具之一。它通常与 std::mutex 配合使用，用于让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等待中的线程继续执行。

基本原理与使用场景

std::condition_variable 的核心作用是“等待事件发生”。它不保存状态，只负责阻塞线程直到被唤醒。典型应用场景包括：

• 生产者-消费者模型：消费者等待队列非空，生产者在放入数据后通知消费者。
• 主线程等待工作线程完成初始化。
• 多个线程协同完成阶段性任务。

关键点是：条件变量必须配合互斥锁（mutex）使用，防止竞争条件。

基本用法步骤

使用 std::condition_variable 的标准流程如下：

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1. 定义一个 std::condition_variable 变量。
2. 定义一个 std::mutex 和共享的条件标志（如 bool 变量或数据容器）。
3. 等待线程获取锁，检查条件是否满足，若不满足则调用 wait() 进入阻塞。
4. 通知线程修改条件，然后调用 notify_one() 或 notify_all() 唤醒等待线程。

示例：实现简单的生产者-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::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        cv.notify_one(); // 通知一个消费者
    }
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        finished = true;
        cv.notify_all(); // 通知所有等待线程结束
    }
}

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

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

        if (data_queue.empty() && finished) {
            break; // 结束消费
        }
        // lock 自动释放
    }
    std::cout << "Consumer exiting.\n";
}

在上面代码中，cv.wait(lock, predicate) 是推荐写法，它会自动判断条件是否满足，避免虚假唤醒问题。

注意事项与最佳实践

使用 std::condition_variable 时需注意以下几点：

• 始终在循环中检查条件：由于存在虚假唤醒（spurious wakeups），不能假设 wait 返回就意味着条件成立。
• 使用 unique_lock 而不是 lock_guard：因为 wait 函数需要能够释放并重新获取锁，只有 std::unique_lock 支持这种操作。
• notify 时机要正确：应在修改共享数据并释放锁之前调用 notify，否则可能导致唤醒丢失。
• 选择 notify_one 还是 notify_all：如果只有一个等待线程需要响应，用 notify_one；若有多个消费者，则用 notify_all。

基本上就这些。只要理解了“条件变量不保存状态、依赖外部变量、必须配合锁使用”的机制，就能安全地实现线程通信。

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