条件变量 —C++17 多线程

C++标准库提供了条件变量的两种实现：std::condition_variable 和std::condition_variable_any。它们都在标准库的头文件<condition_variable>内声明。两者都需配合互斥，方能提供妥当的同步操作。std::condition_variable仅限于与std::mutex一起使用；然而，只要某一类型符合成为互斥的最低标准，足以充当互斥，std::condition_variable_any即可与之配合使用，因此它的后缀是“_any”。由于std::condition_variable_any更加通用，它可能产生额外开销，涉及其性能、自身的体积或系统资源等，因此std::condition_variable应予优先采用，除非有必要令程序更灵活

#pragma once
std::mutex mut;
std::queue<data_chunk> data_queue;    ⇽-- - ①
std::condition_variable data_cond;
void data_preparation_thread()            // 由线程乙运行
{while (more_data_to_prepare()){data_chunk const data = prepare_data();{std::lock_guard<std::mutex> lk(mut);data_queue.push(data);    ⇽-- - ②}data_cond.notify_one();    ⇽-- - ③}
}
void data_processing_thread()           // 由线程甲运行
{while (true){std::unique_lock<std::mutex> lk(mut);    ⇽-- - ④data_cond.wait(lk, [] {return !data_queue.empty(); });    ⇽-- - ⑤data_chunk data = data_queue.front();data_queue.pop();lk.unlock();    ⇽-- - ⑥process(data);if (is_last_chunk(data))break;}
}

首先，我们使用std::queue队列在两个线程之间传递数据①。一旦线程乙准备好数据，就使用std::lock_guard锁住互斥以保护队列，并压入数据②。然后，线程乙调用std::condition_variable实例的成员函数notify_one()，通知线程甲③（如果它确实正等待着）。请注意，我们特地使用一个较小的代码块，放置压入数据的代码，目的是在解锁互斥后通知条件变量。若线程甲立刻觉醒，也无须等待互斥解锁，从而不会被阻塞。

同时，线程甲等待接收处理数据。这次，它先对互斥加锁，但使用的是std::unique_lock而非std::lock_guard④（我们很快会明白缘由）。线程甲在std::condition_variable实例上调用wait()，传入锁对象和一个lambda函数，后者用于表达需要等待成立的条件⑤。

本例中，[]{return !data_queue.empty();}是一个简单的lambda函数，它检查容器data_queue是否为空。若否，则说明已有数据备妥，存放在队列中等待处理。
接着，wait()在内部调用传入的lambda函数，判断条件是否成立：若成立（lambda函数返回true），则wait()返回；否则（lambda函数返回false），wait()解锁互斥，并令线程进入阻塞状态或等待状态。线程乙将数据准备好后，即调用notify_one()通知条件变量，线程甲随之从休眠中觉醒（阻塞解除），重新在互斥上获取锁，再次查验条件：若条件成立，则从wait()函数返回，而互斥仍被锁住；若条件不成立，则线程甲解锁互斥，并继续等待。我们舍弃std::lock_guard而采用std::unique_lock，原因就在这里：线程甲在等待期间，必须解锁互斥，而结束等待之后，必须重新加锁，但std::lock_guard无法提供这种灵活性。假设线程甲在休眠的时候，互斥依然被锁住，那么即使线程乙备妥了数据，也不能锁住互斥，无法将其添加到队列中。结果线程甲所等待的条件永远不能成立，它将无止境地等下去。
等待终止的条件判定需要查验队列是否非空⑤，为此，我们使用了简单的lambda函数。其实，也可以向wait()传递普通函数或可调用对象。本例只进行简单判定，实际上条件判定的函数有可能更加复杂，因而我们需事先另行写出。

那么，该判定函数就可以被直接传入，无须用lambda表达式包装。在wait()的调用期间，条件变量可以多次查验给定的条件，次数不受限制；在查验时，互斥总会被锁住；另外，当且仅当传入的判定函数返回true时（它判定条件成立），wait()才会立即返回。如果线程甲重新获得互斥，并且查验条件，而这一行为却不是直接响应线程乙的通知，则称之为伪唤醒（spurious wake）。

按照C++标准的规定，这种伪唤醒出现的数量和频率都不确定。故此，若判定函数有副作用¹，则不建议选取它来查验条件。倘若读者真的要这么做，就有可能多次产生副作用，所以必须准备好应对方法。譬如，每次被调用时，判定函数就顺带提高所属线程的优先级，该提升动作即产生的副作用。结果，多次伪唤醒可“意外地”令线程优先级变得非常高。

参考《C++并发编程实战（第2版）》

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