UNIX(多线程)：16---条件变量
std::condition_variable 类介绍
std::condition_variable 是条件变量，更多有关条件变量的定义参考维基百科。Linux 下使用 Pthread 库中的 pthread_cond_*() 函数提供了与条件变量相关的功能， Windows 则参考 MSDN。
当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(封装 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程。
std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lock<std::mutex> 来等待，如果需要使用另外的 lockable 类型，可以使用 std::condition_variable_any 类，本文后面会讲到 std::condition_variable_any 的用法。
首先我们来看一个简单的例子：
#include <iostream> // std::cout#include <thread> // std::thread#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.std::condition_variable cv; // 全局条件变量.bool ready = false; // 全局标志位.
void do_print_id(int id){ std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待... cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后, // 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id. std::cout << "thread " << id << '\n';}
void go(){ std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); ready = true; // 设置全局标志位为 true. cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.}
int main(){ std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i = 0; i < 10; ++i) threads[i] = std::thread(do_print_id, i);
std::cout << "10 threads ready to race...\n"; go(); // go!
for (auto & th:threads) th.join();
return 0;}执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-basic1 10 threads ready to race...thread 1thread 0thread 2thread 3thread 4thread 5thread 6thread 7thread 8thread 9好了，对条件变量有了一个基本的了解之后，我们来看看 std::condition_variable 的各个成员函数。std::condition_variable 构造函数
default (1) | condition_variable(); |
|---|---|
copy [deleted] (2) | condition_variable (const condition_variable&) = delete; |
std::condition_variable 的拷贝构造函数被禁用，只提供了默认构造函数。
std::condition_variable::wait() 介绍
unconditional (1) | void wait (unique_lock<mutex>& lck); |
|---|---|
predicate (2) | template <class Predicate>void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred); |
std::condition_variable 提供了两种 wait() 函数。当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），不妨设获得锁 lck)，直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程。
在线程被阻塞时，该函数会自动调用 lck.unlock() 释放锁，使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。另外，一旦当前线程获得通知(notified，通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait() 函数也是自动调用 lck.lock()，使得 lck 的状态和 wait 函数被调用时相同。
在第二种情况下（即设置了 Predicate），只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞。因此第二种情况类似以下代码：
while (!pred()) wait(lck);请看下面例子（参考）：
#include <iostream> // std::cout#include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx;std::condition_variable cv;
int cargo = 0;bool shipment_available(){ return cargo != 0;}
// 消费者线程.void consume(int n){ for (int i = 0; i < n; ++i) { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); cv.wait(lck, shipment_available); std::cout << cargo << '\n'; cargo = 0; }}
int main(){ std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程.
// 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品. for (int i = 0; i < 10; ++i) { while (shipment_available()) std::this_thread::yield(); std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); cargo = i + 1; cv.notify_one(); }
consumer_thread.join();
return 0;}程序执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-wait 12345678910std::condition_variable::wait_for() 介绍unconditional (1) | template <class Rep, class Period>cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time); |
|---|---|
predicate (2) | template <class Rep, class Period, class Predicate>bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep, Period>& rel_time, Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait() 类似，不过 wait_for 可以指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间 rel_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_for 返回，剩下的处理步骤和 wait() 类似。
另外，wait_for 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_for 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));请看下面的例子（参考），下面的例子中，主线程等待 th 线程输入一个值，然后将 th 线程从终端接收的值打印出来，在 th 线程接受到值之前，主线程一直等待，每个一秒超时一次，并打印一个 "."：
#include <iostream> // std::cout#include <thread> // std::thread#include <chrono> // std::chrono::seconds#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock#include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_status
std::condition_variable cv;
int value;
void do_read_value(){ std::cin >> value; cv.notify_one();}
int main (){ std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): \n"; std::thread th(do_read_value);
std::mutex mtx; std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) { std::cout << '.'; std::cout.flush(); }
std::cout << "You entered: " << value << '\n';
th.join(); return 0;}std::condition_variable::wait_until 介绍
unconditional (1) | template <class Clock, class Duration> cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time); |
|---|---|
predicate (2) | template <class Clock, class Duration, class Predicate> bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time, Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait_for 类似，但是 wait_until 可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点 abs_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_until 返回，剩下的处理步骤和 wait_until() 类似。
另外，wait_until 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_until 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
while (!pred()) if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout) return pred();return true;std::condition_variable::notify_one() 介绍唤醒某个等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做，如果同时存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。
请看下例（参考）：
#include <iostream> // std::cout#include <thread> // std::thread#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx;std::condition_variable cv;
int cargo = 0; // shared value by producers and consumers
void consumer(){ std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); while (cargo == 0) cv.wait(lck); std::cout << cargo << '\n'; cargo = 0;}
void producer(int id){ std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); cargo = id; cv.notify_one();}
int main(){ std::thread consumers[10], producers[10];
// spawn 10 consumers and 10 producers: for (int i = 0; i < 10; ++i) { consumers[i] = std::thread(consumer); producers[i] = std::thread(producer, i + 1); }
// join them back: for (int i = 0; i < 10; ++i) { producers[i].join(); consumers[i].join(); }
return 0;}std::condition_variable::notify_all() 介绍唤醒所有的等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做。请看下面的例子：
#include <iostream> // std::cout#include <thread> // std::thread#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.std::condition_variable cv; // 全局条件变量.bool ready = false; // 全局标志位.
void do_print_id(int id){ std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待... cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后, // 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id. std::cout << "thread " << id << '\n';}
void go(){ std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); ready = true; // 设置全局标志位为 true. cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.}
int main(){ std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i = 0; i < 10; ++i) threads[i] = std::thread(do_print_id, i);
std::cout << "10 threads ready to race...\n"; go(); // go!
for (auto & th:threads) th.join();
return 0;}std::condition_variable_any 介绍与 std::condition_variable 类似，只不过 std::condition_variable_any 的 wait 函数可以接受任何 lockable 参数，而 std::condition_variable 只能接受 std::unique_lock<std::mutex> 类型的参数，除此以外，和 std::condition_variable 几乎完全一样。
std::cv_status 枚举类型介绍
cv_status::no_timeout | wait_for 或者 wait_until 没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知。 |
|---|---|
cv_status::timeout | wait_for 或者 wait_until 超时。 |