C++ condition_variable条件变量详解_C++线程同步与等待机制

冰火之心

发布时间：2025-12-15 17:36:08

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condition_variable用于线程同步，配合mutex实现等待-通知机制，避免轮询。线程调用wait时释放锁并阻塞，直到notify唤醒；推荐使用带谓词的wait防止虚假唤醒。notify_one唤醒一个线程，notify_all唤醒所有，适用于生产者-消费者等场景。

c++ condition_variable条件变量详解_c++线程同步与等待机制

在C++多线程编程中，condition_variable 是实现线程同步与等待机制的重要工具之一。它通常与 std::mutex 配合使用，用于让一个或多个线程等待某个特定条件成立后再继续执行。这种机制避免了轮询资源状态带来的性能浪费，提高了程序效率和响应性。

condition_variable 的基本概念

condition_variable（条件变量）本身并不存储状态，它只是一个通知机制。线程通过调用其 wait() 方法进入阻塞状态，直到其他线程调用 notify_one() 或 notify_all() 唤醒它。

关键点：

必须配合 std::unique_lock<:mutex> 使用，不能单独使用普通锁。
wait 操作会自动释放锁，并在被唤醒后重新获取锁。
常用于生产者-消费者模型、任务队列等场景。

基本用法示例

以下是一个典型的生产者-消费者例子，展示 condition_variable 如何协调线程间通信：

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#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::lock_guard lock(mtx);
            data_queue.push(i);
            std::cout << "Produced: " << i << "\n";
        }
        cv.notify_one(); // 通知一个等待的消费者
    }
    {
        std::lock_guard lock(mtx);
        finished = true;
    }
    cv.notify_one();
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock lock(mtx);
        // 等待条件：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 << "Consumed: " << value << "\n";
        }

        if (data_queue.empty() && finished) {
            std::cout << "No more data. Exiting.\n";
            break;
        }
        // 自动释放锁并继续循环
    }
}

在这个例子中，消费者线程调用 cv.wait() 时会被挂起，直到生产者添加数据并调用 notify_one()。wait 内部使用 lambda 判断条件是否满足，只有当条件为假时才真正阻塞。

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wait 的两种形式

condition_variable 提供了两个版本的 wait 函数：

wait(unique_lock& lock)：无条件等待，需手动检查条件。
wait(unique_lock& lock, Predicate pred)：接受一个可调用对象作为谓词，仅当 pred() 返回 false 时才阻塞。

推荐使用带谓词的版本，它可以防止因虚假唤醒（spurious wakeup）导致的问题，确保线程只在真正符合条件时才继续运行。

notify_one 与 notify_all 的区别

notify_one()：唤醒至少一个正在等待的线程。适用于只有一个线程需要处理任务的情况，如单个消费者。
notify_all()：唤醒所有等待中的线程。适合广播事件，比如资源已准备好，多个线程都可以继续工作。

注意：即使调用了 notify，等待线程也不会立即运行，因为它必须先重新获取互斥锁。

基本上就这些。掌握 condition_variable 的核心在于理解“等待-通知”模式以及如何安全地配合锁使用。只要注意保护共享数据、正确编写等待条件、及时发送通知，就能写出高效可靠的并发代码。

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