本章主要内容

• 等待一个事件
• 用期望等待一次性事件
• 带时间限制的等待
• 使用操作的同步来简化代码

上一章中，我们看到各种在线程间保护共享数据的方法。但有时，你不仅需要保护数据，还需要同步不同线程上的操作。例如，一个线程可能需要等待另一个线程完成一个任务，然后第一个线程才能完成自己的任务。一般来说，通常希望线程等待特定事件发生或一个条件变为真。尽管可以通过定期检查共享数据中存储的“任务完成”标记或类似的东西来实现这一点，但这远不够理想。像这样需要在线程之间同步操作的场景是如此的常见，以至于C++标准库提供了条件变量(condition variables)和期望（futures）形式的设施来处理它。这些设施在并发技术规范(TS，Conncurrency Technical Specification)中得到了扩展，技术规范为期望（futures）提供了更多的操作，一起的还有新的同步设施锁存器(latches)和屏障(barriers)。

本章将讨论如何使用条件变量，期望，锁存器以及屏障来等待事件，以及如何使用它们来简化操作的同步。

4.1 等待一个事件或其他条件

假设你乘坐通宵火车旅行。一种确保你在正确的车站下车的方法是整晚保持清醒，并注意火车停在哪里。这样你就不会误站，但是等你到站的时候估计也累够呛。或者，你可以看一下时刻表，看看火车应该什么时候到达，然后把闹钟定得比到站时间稍微早一点， 接着就可以去睡觉了。这样就可以了；你也不会误站，但如果火车晚点，你就醒得太早了。当然，闹钟的电池也可能会没电了，于是你就睡过了头，以至于误了站。理想的方式是，你可以去睡觉，不管什么时候，只要火车到站，就有人或其他东西能把你唤醒就好了。

这和线程有什么关系呢？嗯，如果一个线程正在等待另一个线程完成一个任务，它有几个选项。首先，它可以不断检查共享数据中的标记(由互斥锁保护)，并让第二个线程在完成任务时设置该标记。这在两个方面是浪费的:线程不断检查标记会消耗宝贵的处理时间，并且当互斥锁被等待的线程锁住时，其他线程不能锁住它。这两者对等待线程都不利：如果等待线程在运行，这就限制了可用的执行资源去运行被等待的线程，同时为了检查标记，等待线程锁住了互斥锁来保护它，被等待线程就不能在它完成任务后锁住互斥锁来设置标记。这种情况类似于你整晚和列车驾驶员交谈：驾驶员不得不减慢火车的速度，因为你分散了他的注意力，所以火车需要更长的时间才能到站。类似地，正在等待的线程正在消耗系统中其他线程可以使用的资源，最终等待时间可能比必要的时间更长。

第二个选择是让等待线程在检查的间隙用std::this_thread::sleep_for()函数休眠很短的时间(参见4.3节)：

bool flag;
std::mutex m;void wait_for_flag()
{std::unique_lock<std::mutex> lk(m);while(!flag){lk.unlock(); // 1 解锁互斥锁std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 2 休眠100mslk.lock(); // 3 再次锁住互斥锁}
}

循环体中，在休眠前②，函数对互斥锁进行解锁①，并且在休眠结束后再对互斥锁进行上锁③，因此另外的线程就有机会获取锁并设置标记。

这是一个进步，因为当线程休眠时，线程没有浪费执行时间，但是很难确定正确的休眠时间。太短的休眠仍然会浪费处理时间去做检查；太长的休眠时间，会导致当被等待线程完成时，线程还处于休眠状态，从而导致耽搁。这种睡过头的情况很少会对程序的运行产生直接影响，但它可能意味着在快节奏的游戏中掉帧或在实时应用中超出时间片。

第三个也是首选的方法是使用C++标准库提供的设施去等待事件本身。等待另一个线程触发事件的最基本机制(例如前面提到的在流水线中存在的额外工作)是条件变量（condition variable）。从概念上讲，条件变量与事件或其他条件（condition）相关联，一个或多个线程可以等待该条件满足。当一个线程确定满足条件时，它可以通知一个或多个等待条件变量的线程，以唤醒它们并允许它们继续处理。

4.1.1 使用条件变量等待条件

C++标准库对条件变量有两套实现：std::condition_variable和std::condition_variable_any。这两个实现都包含在<condition_variable>库头文件中。两者都需要与一个互斥锁一起才能工作，因为需要互斥锁提供适当的同步；前者仅限于使用std::mutex，而后者可以使用任何满足类似于互斥锁的最低标准的对象，因而带有_any后缀。由于std::condition_variable_any更通用，因此在大小、性能或操作系统资源方面有额外的潜在成本，所以除非需要额外的灵活性，否则应该首选std::condition_variable。

那么，如何使用std::condition_variable来处理简介中的示例呢?如何让正在等待工作的线程休眠，直到有数据要处理?下面的清单展示了使用条件变量实现的一种方法。

首先，有一个用来在两个线程之间传递数据的队列①。当数据准备好时，准备数据的线程使用std::lock_guard来保护队列，并把数据推入队列中②。然后它调用std::condition_variable实例的notify_one()成员函数通知等待线程 (如果有的话)③。注意,你把将数据推入队列的代码放在一个较小的作用域,所以你在解锁之后通知条件变量——这是为了,如果等待线程立即醒来,它没必要再被阻塞在等待你解锁互斥锁。

在栅栏的另一侧，有一个正在处理数据的线程，这个线程首先锁住互斥锁，但这次使用std::unique_lock而不是std::lock_guard④——你马上就会知道为什么。然后线程在std::condition_variable上调用wait()成员函数，并传入锁对象和表示等待条件的lambda函数⑤。Lambda函数是C++11添加的新特性，它可以让一个匿名函数作为另一个表达式的一部分，并且它们非常适合被指定为wait()这种标准库函数的谓词。在这个例子中，简单的Lambda函数[]{return !data_queue.empty();}会去检查data_queue是否非空——也就是说，队列中有数据准备要处理。附录A的A.5节有Lambda函数更多的细节。

wait()会去检查这些条件(通过调用所提供的lambda函数)，当条件满足(lambda函数返回true)时返回。如果条件不满足(lambda函数返回false)，wait()函数将解锁互斥锁，并且将这个线程置于阻塞或等待状态。当准备数据的线程调用notify_one()通知条件变量时，处理数据的线程从睡眠状态中醒来，获取互斥锁上的锁，并且再次检查条件是否满足。在条件满足的情况下，从wait()返回并仍然持有锁；当条件不满足时，线程将对互斥锁解锁，并且重新开始等待。这就是为什么用std::unique_lock而不使用std::lock_guard——等待中的线程必须在等待期间解锁互斥锁，并在这之后对互斥锁再次上锁，而std::lock_guard没有这么灵活。如果互斥锁在线程休眠期间保持锁住状态，准备数据的线程将无法锁住互斥锁，也就无法添加数据项到队列中，这样等待线程也永远看不到它的条件被满足。

清单4.1为等待使用了一个简单的lambda函数⑤，它检查队列是否非空，不过任何函数和可调用对象都可以担此责任。如果已经有了检查条件的函数(可能因为它比像这样简单的测试要复杂一些)，那么可以直接传入此函数，不一定非要包在一个lambda中。在调用wait()期间，条件变量可以对提供的条件检查任意次数；但是它总是在锁住互斥锁的情况下才这么做，并且当(且仅当)用于测试条件的函数返回true时，它将立即返回。当等待的线程重新获得互斥锁并检查条件时，如果它不是直接响应来自另一个线程的通知，则称为伪唤醒(spurious wakeup)。因为根据定义，任何这种伪唤醒的数量和频率都是不确定的，所以不建议使用具有副作用的函数进行条件检查。如果你这样做，你必须为副作用发生多次做好准备。

基本上，std::condition_variable::wait是对忙-等待的优化。事实上，一个合格(虽然不太理想)的实现技术可以只是一个简单的循环：

template<typename Predicate>
void minimal_wait(std::unique_lock<std::mutex>& lk, Predicate pred){while(!pred()){lk.unlock();lk.lock();}
}

你的代码必须准备不但能使用这种最小的wait()实现，而且还能使用只有在调用notify_one()或notify_all()时才会唤醒的实现。

解锁std::unique_lock的灵活性，不仅适用于对wait()的调用；它还可以用在数据待处理但还未处理的时候⑥。处理数据可能是一个耗时的操作，正如你在第3章中看到的，在互斥锁上持有的时间超过必要的时间不是一个好主意。

像清单4.1这样，使用队列在多个线程间转移数据是很常见的。如果做得好，同步可以限制在队列本身，这将极大地减少同步问题和竞争条件的可能数量。鉴于此，现在让我们从清单4.1中提取一个通用的线程安全队列

4.1.2 使用条件变量构建线程安全队列

如果你准备设计一个通用队列，花点时间想想队列需要哪些操作是值得的，就像在3.2.3节线程安全栈中做的一样。我们可以从C++标准库中找灵感，形式为std::queue<>的容器适配器如下所示的：

如果忽略构造、赋值以及交换操作时，就只剩下了三组操作：查询整个队列的状态的操作(empty()和size())；查询队列中元素的操作(front()和back())；修改队列的操作(push(), pop()和emplace())。这和3.2.3中的栈一样，因此也会遇到在接口上固有的竞争条件。所以，需要将front()和pop()合成一个函数调用，就像之前在栈实现时合并top()和pop()一样。清单4.1中的代码加入一些细微的变化：当使用队列在线程之间传递数据时，接收线程通常需要等待数据。这里提供pop()函数的两个变种：try_pop()和wait_and_pop()。try_pop()，尝试从队列中弹出数据，它总会直接返回(带有失败指示)，即使没有值可检索；wait_and_pop()，将会等到有值可检索的时候才返回。如果你以栈示例为指引，接口可能会是下面这样：

和栈一样，为了简化代码，减少了构造函数并删除了赋值操作符。和之前一样，也提供了两个版本的try_pop()和wait_for_pop()。第一个重载的try_pop()①把检索的值存储在引用变量中，所以它可以用返回值做状态；当检索到一个值时，它将返回true，否则返回false(参见A.2节)。第二个重载②就不能这样了，因为它直接返回检索到的值。不过，当没有值可检索时，这个函数可以返回NULL指针。

那么，所有这些与清单4.1有什么关系呢?嗯，你可以从中抽取代码用于push()和wait_and_pop()，如下面的清单所示。

互斥锁和条件变量现在包含在threadsafe_queue实例中，因此不再需要单独的变量①，并且调用push()也不需要外部同步②。另外，wait_and_pop()负责条件变量的等待③。

另一个重载的wait_and_pop()现在编写起来很简单，剩下的函数几乎可以逐字从清单3.5中的栈示例中拷贝。最终的队列实现展示如下。

尽管empty()是一个const成员函数，并且拷贝构造函数的other参数是一个const引用，但是其他线程可能有对该对象的非const引用，并且可能正在调用可变的成员函数，因此你仍然需要锁住互斥锁。因为锁住互斥锁是一种可变操作，所以互斥锁对象必须标记为可变的(mutable)①，这样就可以在empty()和拷贝构造函数中锁住它。

在多个线程等待同一事件时，条件变量也很有用。如果线程用于划分工作负载，因此只有一个线程应该响应通知，那么可以使用与清单4.1中所示完全相同的结构，只需运行多个数据处理线程实例。当新数据准备好时，调用notify_one()将会触发一个正在执行wait()的线程去检查它的条件并且从wait()函数返回(因为你刚向data_queue中添加一个数据项)。 不能保证哪个线程会被通知，甚至不能保证是否有线程在等待被通知，因为有可能所有的处理线程仍然在处理数据。

另一种可能是几个线程在等待同一事件，并且它们都需要响应该事件。这可能发生在共享数据初始化的情况下，所有的处理线程可以使用相同的数据，但是需要等待它被初始化(尽管可能有更好的机制，比如std::call once；关于这个选项的讨论，请参阅第3章的3.3.1节)，或者线程需要等待共享数据的更新，比如定期的重新初始化。在这些情况下，准备数据的线程可以对条件变量调用notify_all()成员函数，而不是notify_one()。顾名思义，这将导致当前执行wait()的所有线程检查它们正在等待的条件。

如果等待线程只等待一次，因此当条件为真时，它将不再等待该条件变量，那么条件变量可能不是同步机制的最佳选择。如果等待的条件是某一特定数据的可用性，则尤其如此。在这种情况下，期望（future）可能更合适。

4.2 使用期望等待一次性事件

假设你要乘飞机去国外度假。一旦你到达机场，完成了各种登机手续，你还得等待你的航班准备登机的通知，这可能要等上好几个小时。是的，你也许能找到一些消磨时间的方式，比如看书、上网，或者在机场价格高昂的咖啡馆用餐，但基本上你只是在等待一件事:登机的信号。不仅如此，一个给定的航班只会有一次;下次你去度假时，你将等待不同的航班。

C++标准库将这种一次性事件建模为所谓的期望（future）。如果一个线程需要等待一个特定的一次性事件，它会以某种方式获得一个表示该事件的期望。然后，线程可以周期性地等待很短的一段时间，以查看事件是否已经发生(查看出发时刻表)，同时在检查的间隙执行其他任务(在价格高昂的咖啡馆用餐)。或者，它可以执行另一个任务，直到它需要事件在它继续之前发生，然后就等待期望变成就绪（ready）。期望可能有与之相关的数据(比如你的航班在哪个登机口登机)，也可能没有。一旦事件发生(因此期望已经变成就绪)，期望就不能被重置。

C++标准库中，有两种期望，实现为两个类模板，声明在<future>库头文件中：唯一的期望（unique futures）(std::future<>)和共享的期望（shared futures） (std::shared_future<>)。它们仿照了std::unique_ptr和std::shared_ptr。一个std::future的实例是唯一一个引用其关联事件的实例，而多个std::shared_future实例可能引用同一事件。后一种情况中，所有实例会在同时变为就绪状态，然后他们可以访问与事件相关的任何数据。这些关联的数据是这些类成为模板的原因；就像std::unique_ptr和std::shared_ptr一样，模板参数是关联数据的类型。如果没有相关联的数据，可以使用std::future<void>与std::shared_future<void>的特化模板。尽管期望用于线程间通信，但是期望对象本身不提供同步访问。如果多个线程需要访问一个期望对象，它们必须通过互斥锁或其他同步机制来保护访问，如第3章所述。但是，正如你将在4.2.5节中看到的，多个线程可以访问它们自己的std::shared_future<>副本，而无需进一步同步，即使它们都引用相同的异步结果。

并发技术规范在std::experimental名空间中提供了这些类模板的扩展版本：std::experimental::future<>和std::experimental:: shared_future<>。这些类的行为与std名空间中的对应类相同，但是它们有额外的成员函数来提供额外的功能。需要重点注意的是，名字std::experimental并非暗示代码的质量(我希望实现的质量和你的库供应商提供的其他东西是一样的)，但是需要强调的是，这些都是非标准的类和函数，因此，如果它们最终被采用到未来的C++标准中，它们的语法和语义可能会有变化。如果想要使用这些设施，需要包含<experimental/future>头文件。

最基本的一次性事件是在后台运行的计算的结果。在第2章中，你看到std::thread并没有提供一种简单方法从这样的任务中返回一个值，并且我承诺过将在第4章中用期望来解决——现在是时候看看怎么解决了。

4.2.1 从后台任务返回值

假设有一个长时间运行的计算，你希望最终产生一个有用的结果，但当前不需要该值。也许你已经找到了一种方法来确定生命,宇宙和万物的答案——从道格拉斯·亚当斯[1]那取一个例子（译注：作者这里开玩笑，扯远了，可以无视）。你可以启动一个新的线程来执行计算，但这意味着你必须负责把结果传送回来,因为std::thread没有提供直接的机制来做这个事情。这就是需要std::async函数模板(也声明在<future>头文件中)的地方。

如果你不需要立即得到结果，可以使用std::async来启动一个异步任务（asynchronous task）。而不是给你一个std::thread对象去等待，std::async会返回一个std::future对象，它将最终持有函数的返回值。当你需要该值时，只需在期望上调用get()，线程就会阻塞，直到期望就绪（ready），然后返回该值。下面的清单显示了一个简单的示例。

std::async允许你通过向调用中添加更多的参数来传递额外的参数给函数，这与std::thread的方法相同。如果第一个参数是指向成员函数的指针，那么第二个参数提供了应用成员函数的对象(要么直接是对象，要么通过指针，亦或包装在std::ref中)，其余的参数作为成员函数的参数传递。否则，第二个和随后的参数将作为函数或可调用对象的第一个参数。就如std::thread，当参数为右值时，拷贝操作将使用移动（moving）的方式转移原始数据。这就允许使用只支持移动的类型作为函数对象和参数。参见下面的清单：

默认情况下，当等待期望时，std::async是否启动一个新线程，还是同步执行任务，取决于实现。在大多数情况下，这是你想要的，但是你可以在调用函数之前，通过std::async的附加参数指定要使用哪种模式。这个参数的类型是std::launch，它可以是std::launch::defered，表明函数调用被推迟到wait()或get()函数调用时才执行，或者是std::launch::async，表明函数必须在它自己的线程上运行，还可以是std::launch::deferred | std::launch::async表明让具体实现来选择哪种方式。最后一个选项是默认的。如果函数调用是推迟的，它可能永远也不会运行。例如：

auto f6=std::async(std::launch::async,Y(),1.2);  // 在新线程上执行
auto f7=std::async(std::launch::deferred,baz,std::ref(x));  // 在wait()或get()调用时执行
auto f8=std::async(std::launch::deferred | std::launch::async,baz,std::ref(x));  // 实现选择执行方式
auto f9=std::async(baz,std::ref(x)); // 实现选择执行方式
f7.wait();  //  调用延迟函数

正如你将在本章后面以及第8章中看到的，使用std::async可以很容易地将算法划分为可以并发运行的任务。然而，这并不是将std::future与任务联系起来的唯一方法；你还可以通过将任务包装到std::packaged_task<>类模板的实例中，或者通过编写代码使用std::promise<>类模板显式地设置值来实现。std::packaged_task是一个比std::promise更高层次的抽象，所以我将从它开始。