c++怎么使用条件变量std::condition_variable_c++线程通信与等待机制

std::condition_variable用于线程同步，配合mutex和共享变量实现高效等待与通知机制，如生产者-消费者模型中通过wait()和notify_one()协调线程，避免轮询并处理虚假唤醒。

在C++多线程编程中，std::condition_variable 是一种重要的同步机制，用于线程间的通信与等待。它通常配合 std::unique_lock<:mutex> 使用，实现一个线程等待某个条件成立，而另一个线程在条件达成时通知等待中的线程继续执行。

基本概念：条件变量的作用

条件变量允许线程**主动挂起**，直到接收到“条件已满足”的信号。这种机制避免了轮询检查共享状态，提高了效率和响应性。

典型使用场景包括：

• 生产者-消费者模型
• 任务队列的空/满状态控制
• 等待某个资源初始化完成

关键组件与用法步骤

使用 std::condition_variable 需要三个核心部分：

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• std::condition_variable 实例：用于阻塞和唤醒线程
• std::mutex 和 std::unique_lock：保护共享数据并配合条件变量使用
• 一个表示条件的共享变量（如布尔值、队列是否为空等）

标准使用流程如下：

1. 等待线程获取互斥锁，然后调用 wait() 方法，并传入锁和一个判断条件的谓词
2. 条件变量会自动释放锁，使其他线程可以修改共享状态
3. 当其他线程修改状态后，调用 notify_one() 或 notify_all() 唤醒等待线程
4. 被唤醒的线程重新获取锁，并再次检查条件是否满足

代码示例：生产者-消费者模型

下面是一个简单的例子，展示两个线程通过条件变量协作：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

std::queue data_queue;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool finished = false;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        std::unique_lock lock(mtx);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "生产: " << i << "\n";
        lock.unlock();
        cv.notify_one(); // 通知消费者
    }
    {
        std::unique_lock lock(mtx);
        finished = true;
    }
    cv.notify_one(); // 通知消费者生产结束
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        // 等待队列非空或生产结束
        cv.wait(lock, [] { return !data_queue.empty() || finished; });

        if (!data_queue.empty()) {
            int value = data_queue.front();
            data_queue.pop();
            std::cout << "消费: " << value << "\n";
        }

        if (data_queue.empty() && finished) {
            break; // 结束循环
        }
        lock.unlock();
    }
    std::cout << "消费者退出\n";
}

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

    p.join();
    c.join();

    return 0;
}

说明：

• 消费者调用 cv.wait() 时传入了一个 lambda 表达式作为条件判断，这是推荐写法，可防止虚假唤醒
• 每次生产后调用 notify_one()，唤醒一个等待线程
• 使用 unique_lock 是因为 wait() 内部需要解锁和重新加锁

注意事项与最佳实践

使用条件变量时需注意以下几点：

• 永远在循环中检查条件，不要只依赖一次判断（防止虚假唤醒）
• 确保共享数据始终被互斥锁保护
• 调用 notify_* 并不会立即切换线程，只是解除阻塞状态
• 如果多个线程等待，使用 notify_all() 可唤醒全部，但可能造成“惊群效应”