C++11 并发指南五(std::condition_variable 详解)

前面三讲《C++11 并发指南二(std::thread 详解)》，《C++11 并发指南三(std::mutex 详解)》分别介绍了 std::thread，std::mutex，std::future 等相关内容，相信读者对 C++11 中的多线程编程有了一个最基本的认识，本文将介绍 C++11 标准中 头文件里面的类和相关函数。

头文件主要包含了与条件变量相关的类和函数。相关的类包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any，还有枚举类型std::cv_status。另外还包括函数 std::notify_all_at_thread_exit()，下面分别介绍一下以上几种类型。

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(通过 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 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 // std::cout

#include // std::thread

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // 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 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 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 1

thread 0

thread 2

thread 3

thread 4

thread 5

thread 6

thread 7

thread 8

thread 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& lck);

predicate (2)

template

void wait (unique_lock& 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 // std::cout

#include // std::thread, std::this_thread::yield

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // 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 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 lck(mtx);

cargo = i + 1;

cv.notify_one();

}

consumer_thread.join();

return 0;

}

程序执行结果如下：

concurrency ) ./ConditionVariable-wait

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

std::condition_variable::wait_for() 介绍

unconditional (1)

template

cv_status wait_for (unique_lock& lck,

const chrono::duration& rel_time);

predicate (2)

template

bool wait_for (unique_lock& lck,

const chrono::duration& 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 // std::cout

#include // std::thread

#include // std::chrono::seconds

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // 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 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

cv_status wait_until (unique_lock& lck,

const chrono::time_point& abs_time);

predicate (2)

template

bool wait_until (unique_lock& lck,

const chrono::time_point& 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 // std::cout

#include // std::thread

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // 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 // std::cout

#include // std::thread

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // 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 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 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 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。

std::notify_all_at_thread_exit

函数原型为：

void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock lck);

当调用该函数的线程退出时，所有在 cond 条件变量上等待的线程都会收到通知。请看下例（参考）：

#include // std::cout

#include // std::thread

#include // std::mutex, std::unique_lock

#include // std::condition_variable

std::mutex mtx;

std::condition_variable cv;

bool ready = false;

void print_id (int id) {

std::unique_lock lck(mtx);

while (!ready) cv.wait(lck);

// ...

std::cout << "thread " << id << '\n';

}

void go() {

std::unique_lock lck(mtx);

std::notify_all_at_thread_exit(cv,std::move(lck));

ready = true;

}

int main ()

{

std::thread threads[10];

// spawn 10 threads:

for (int i=0; i<10; ++i)

threads[i] = std::thread(print_id,i);

std::cout << "10 threads ready to race...\n";

std::thread(go).detach(); // go!

for (auto& th : threads) th.join();

return 0;

}

好了，到此为止， 头文件中的两个条件变量类（std::condition_variable 和 std::condition_variable_any）、枚举类型（std::cv_status）、以及辅助函数（std::notify_all_at_thread_exit()）都已经介绍完了。从下一章开始我会逐步开始介绍 头文件中的内容，后续的文章还会介绍 C++11 的内存模型，涉及内容稍微底层一些，希望大家能够保持兴趣，学完 C++11 并发编程，如果你发现本文中的错误，也请给我反馈 ;-)。