C++ 学习（8）——多线程(2)--线程通信与条件变量

好的，以下是你学习多线程的第 4 天课程设计：《线程通信：条件变量 std::condition_variable》。这是进入线程协作阶段非常重要的一课，理解它之后你可以写出更复杂、智能的多线程程序，比如生产者-消费者模型、线程唤醒机制等。

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📘 Day 4：线程通信：条件变量 std::condition_variable

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一、课程目标

• 理解线程通信的意义
• 学会使用 std::condition_variable 实现线程间的等待与唤醒
• 能够编写基本的生产者-消费者模型
• 学会避免虚假唤醒（spurious wakeup）
• 掌握 wait()、notify_one()、notify_all() 的用法

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二、线程通信的背景

前面我们通过 std::mutex 实现了互斥访问共享资源。但在很多真实场景中，线程之间需要等待某个条件成立才能执行，比如：

消费者线程必须等生产者生产完数据之后才能消费。

这就需要线程间通信机制，条件变量是最常用的方式之一。

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三、条件变量简介

🔹 条件变量 std::condition_variable

它不是锁，而是一种通知机制：

• 一个线程可以等待某个条件成立（阻塞住自己）；
• 另一个线程可以在条件成立后，唤醒等待的线程。

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四、基本用法

示例：主线程等待子线程准备好数据

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    std::cout << "Worker: data is ready.\n";
    cv.notify_one();  // 通知等待的线程
}

int main() {
    std::thread t(worker);

    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });  // 等待 ready 为 true
    std::cout << "Main: got the signal.\n";

    t.join();
    return 0;
}

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五、核心函数说明

cv.wait(lock, predicate)

• 会释放 lock 并阻塞线程，直到收到通知；
• 收到通知后，重新获取锁，并检查条件 predicate() 是否为真；
• 重要：必须配合 std::unique_lock<std::mutex> 使用。

cv.notify_one()

• 唤醒一个在 wait() 上阻塞的线程（任意一个）。

cv.notify_all()

• 唤醒所有正在等待的线程。

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六、虚假唤醒与谓词写法

🔸 虚假唤醒（spurious wakeup） 是指线程在没有 notify_xxx() 调用时也被唤醒。

因此，推荐使用带谓词版本的 wait()：

cv.wait(lock, []{ return ready; });  // 推荐写法

这样就算是“假唤醒”，也会重新判断条件是否满足，确保程序逻辑正确。

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七、实战：生产者-消费者模型

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> q;
bool done = false;

void producer() {
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        q.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        cv.notify_one();  // 通知消费者
    }
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    done = true;
    cv.notify_all();  // 通知所有等待线程：生产结束
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, [] { return !q.empty() || done; });
        while (!q.empty()) {
            std::cout << "Consumed: " << q.front() << std::endl;
            q.pop();
        }
        if (done) break;
    }
}

int main() {
    std::thread p(producer);
    std::thread c(consumer);

    p.join();
    c.join();
    return 0;
}

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八、Day 4 练习题

📝 基础练习

1. 使用 std::condition_variable 实现：

   • 线程 A 等待线程 B 设定一个变量 flag = true，收到通知后打印“Flag is set!”。

2. 修改生产者-消费者模型：

   • 支持多个消费者线程（3个线程同时消费）。

🧠 进阶思考

3. 如果不使用谓词版 wait(lock, predicate)，可能出现什么问题？
4. 使用 cv.notify_all() 会不会导致资源被多个线程重复消费？如何防止？

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九、小结

知识点	内容
线程通信	条件变量用于线程间等待/通知机制
wait()	阻塞线程直到条件满足
notify_one()	唤醒一个等待线程
notify_all()	唤醒所有等待线程
安全写法	使用谓词 lambda 防止虚假唤醒

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