从零开始了解条件变量：同步和协作的艺术

2023-12-03 21:16:47

条件变量：协调多线程世界的关键工具

同步：多线程协作的关键

在多线程编程中，同步是至关重要的，它确保多个线程同时访问共享资源时井然有序，避免出现竞争和死锁等问题。条件变量作为一种强大的同步机制，让你能够在满足特定条件时才允许线程继续执行。

条件变量的原理

条件变量的工作原理很简单：当一个线程需要等待某个条件满足时，它调用pthread_cond_wait()函数，将自己挂起，并进入等待队列。一旦条件满足，另一个线程调用pthread_cond_signal()函数，唤醒等待队列中的一个线程。

条件变量的优势

使用条件变量的主要优点是，它可以避免不必要的等待和竞争，因为线程仅在条件满足时才继续执行。此外，条件变量具有出色的可移植性，可在不同操作系统和编程语言中使用。

条件变量的应用

条件变量的应用场景非常广泛，最常见的用途是解决生产者-消费者问题。在这个问题中，生产者线程不断生成数据，而消费者线程不断消耗数据。通过使用条件变量，我们可以协调它们的执行，防止数据争夺和死锁。

除了生产者-消费者问题，条件变量还可以用于解决以下问题：

读写锁实现
线程池实现
事件驱动编程
并发数据结构实现

在 Linux C 中使用条件变量

要使用条件变量，可以在 Linux C 中调用以下函数：

pthread_cond_init()：初始化条件变量
pthread_cond_wait()：挂起线程并等待条件满足
pthread_cond_signal()：唤醒一个等待队列中的线程
pthread_cond_broadcast()：唤醒等待队列中的所有线程

生产者-消费者示例

下面是一个使用条件变量解决生产者-消费者问题的示例代码：

#include <pthread.h>

/* 生产者线程函数 */
void *producer(void *arg)
{
    while (1) {
        /* 生产数据 */
        produce_data();

        /* 通知消费者数据已准备好 */
        pthread_cond_signal(&cond);
    }

    return NULL;
}

/* 消费者线程函数 */
void *consumer(void *arg)
{
    while (1) {
        /* 等待数据准备好 */
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

        /* 消费数据 */
        consume_data();
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    /* 初始化条件变量 */
    pthread_cond_t cond;
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    /* 初始化互斥锁 */
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    /* 创建生产者线程 */
    pthread_t producer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);

    /* 创建消费者线程 */
    pthread_t consumer_thread;
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    /* 等待线程结束 */
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    /* 销毁条件变量和互斥锁 */
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}