前面三讲《C++11 并发指南二(std::thread 详解)》，《C++11 并发指南三(std::mutex 详解)》分别介绍了 std::thread，std::mutex，std::future 等相关内容，相信读者对 C++11 中的多线程编程有了一个最基本的认识，本文将介绍 C++11 标准中 <condition_variable> 头文件里面的类和相关函数。
<condition_variable > 头文件主要包含了与条件变量相关的类和函数。相关的类包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any，还有枚举类型std::cv_status。另外还包括函数 std::notify_all_at_thread_exit()，下面分别介绍一下以上几种类型。
std::condition_variable 类介绍
std::condition_variable 是条件变量，更多有关条件变量的定义参考维基百科)。Linux 下使用 Pthread 库中的 pthread_cond_*() 函数提供了与条件变量相关的功能， Windows 则参考 MSDN.aspx)。
当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程。
std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lock<std::mutex> 来等待，如果需要使用另外的 lockable 类型，可以使用 std::condition_variable_any 类，本文后面会讲到 std::condition_variable_any 的用法。
首先我们来看一个简单的例子
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::condition_variable cv; // 全局条件变量.
bool ready = false; // 全局标志位.
void do_print_id(int id)
{
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...
cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,
// 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.
std::cout << "thread " << id << '\n';
}
void go()
{
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
ready = true; // 设置全局标志位为 true.
cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.
}
int main()
{
std::thread threads[10];
// spawn 10 threads:
for (int i = 0; i < 10; ++i)
threads[i] = std::thread(do_print_id, i);
std::cout << "10 threads ready to race...\n";
go(); // go!
for (auto & th:threads)
th.join();
return 0;
}
执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-basic1
10 threads ready to race...
thread 1
thread 0
thread 2
thread 3
thread 4
thread 5
thread 6
thread 7
thread 8
thread 9
好了，对条件变量有了一个基本的了解之后，我们来看看 std::condition_variable 的各个成员函数。
std::condition_variable 构造函数
| default (1) | condition_variable(); |
|---|---|
| copy [deleted] (2) | condition_variable (const condition_variable&) = delete; |
std::condition_variable 的拷贝构造函数被禁用，只提供了默认构造函数。
std::condition_variable::wait() 介绍
| unconditional (1) | void wait (unique_lock<mutex>& lck); |
|---|---|
| predicate (2) | template <class Predicate> void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred); |
std::condition_variable 提供了两种 wait() 函数。当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），不妨设获得锁 lck)，直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程。
在线程被阻塞时，该函数会自动调用 lck.unlock() 释放锁，使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。另外，一旦当前线程获得通知(notified，通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait() 函数也是自动调用 lck.lock()，使得 lck 的状态和 wait 函数被调用时相同。
在第二种情况下（即设置了 Predicate），只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞。因此第二种情况类似以下代码：
while (!pred()) wait(lck);请看下面例子（参考）：
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
int cargo = 0;
bool shipment_available()
{
return cargo != 0;
}
// 消费者线程.
void consume(int n)
{
for (int i = 0; i < n; ++i) {
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
cv.wait(lck, shipment_available);
std::cout << cargo << '\n';
cargo = 0;
}
}
int main()
{
std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程.
// 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品.
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
while (shipment_available())
std::this_thread::yield();
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
cargo = i + 1;
cv.notify_one();
}
consumer_thread.join();
return 0;
}
程序执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-wait
1
2
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5
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9
10
std::condition_variable::wait_for() 介绍
| unconditional (1) | template <class Rep, class Period> cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time); |
|---|---|
| predicate (2) | template <class Rep, class Period, class Predicate> bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait() 类似，不过 wait_for 可以指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间 rel_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_for 返回，剩下的处理步骤和 wait() 类似。
另外，wait_for 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_for 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));请看下面的例子（参考），下面的例子中，主线程等待 th 线程输入一个值，然后将 th 线程从终端接收的值打印出来，在 th 线程接受到值之前，主线程一直等待，每个一秒超时一次，并打印一个 "."：
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread
#include <chrono> // std::chrono::seconds
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_status
std::condition_variable cv;
int value;
void do_read_value()
{
std::cin >> value;
cv.notify_one();
}
int main ()
{
std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): \n";
std::thread th(do_read_value);
std::mutex mtx;
std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) {
std::cout << '.';
std::cout.flush();
}
std::cout << "You entered: " << value << '\n';
th.join();
return 0;
}
**std::condition_variable::wait_until 介绍
**
| unconditional (1) | template <class Clock, class Duration> cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time); |
|---|---|
| predicate (2) | template <class Clock, class Duration, class Predicate> bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time, Predicate pred); |
与 std::condition_variable::wait_for 类似，但是 wait_until 可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点 abs_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_until 返回，剩下的处理步骤和 wait_until() 类似。
另外，wait_until 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_until 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
while (!pred())
if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout)
return pred();
return true;std::condition_variable::notify_one() 介绍
唤醒某个等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做，如果同时存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。
请看下例（参考）：
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
int cargo = 0; // shared value by producers and consumers
void consumer()
{
std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);
while (cargo == 0)
cv.wait(lck);
std::cout << cargo << '\n';
cargo = 0;
}
void producer(int id)
{
std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx);
cargo = id;
cv.notify_one();
}
int main()
{
std::thread consumers[10], producers[10];
// spawn 10 consumers and 10 producers:
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
consumers[i] = std::thread(consumer);
producers[i] = std::thread(producer, i + 1);
}
// join them back:
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
producers[i].join();
consumers[i].join();
}
return 0;
}
std::condition_variable::notify_all() 介绍
唤醒所有的等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做。请看下面的例子：
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx; // 全局互斥锁.
std::condition_variable cv; // 全局条件变量.
bool ready = false; // 全局标志位.
void do_print_id(int id)
{
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待...
cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后,
// 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id.
std::cout << "thread " << id << '\n';
}
void go()
{
std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx);
ready = true; // 设置全局标志位为 true.
cv.notify_all(); // 唤醒所有线程.
}
int main()
{
std::thread threads[10];
// spawn 10 threads:
for (int i = 0; i < 10; ++i)
threads[i] = std::thread(do_print_id, i);
std::cout << "10 threads ready to race...\n";
go(); // go!
for (auto & th:threads)
th.join();
return 0;
}
std::condition_variable_any 介绍
与 std::condition_variable 类似，只不过 std::condition_variable_any 的 wait 函数可以接受任何 lockable 参数，而 std::condition_variable 只能接受 std::unique_lock<std::mutex> 类型的参数，除此以外，和 std::condition_variable 几乎完全一样。
std::cv_status 枚举类型介绍
| cv_status::no_timeout | wait_for 或者 wait_until 没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知。 |
|---|---|
| cv_status::timeout | wait_for 或者 wait_until 超时。 |
std::notify_all_at_thread_exit
函数原型为：
void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock<mutex> lck);当调用该函数的线程退出时，所有在 cond 条件变量上等待的线程都会收到通知。请看下例（参考）：
#include <iostream> // std::cout
#include <thread> // std::thread
#include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock
#include <condition_variable> // std::condition_variable
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;
void print_id (int id) {
std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
while (!ready) cv.wait(lck);
// ...
std::cout << "thread " << id << '\n';
}
void go() {
std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
std::notify_all_at_thread_exit(cv,std::move(lck));
ready = true;
}
int main ()
{
std::thread threads[10];
// spawn 10 threads:
for (int i=0; i<10; ++i)
threads[i] = std::thread(print_id,i);
std::cout << "10 threads ready to race...\n";
std::thread(go).detach(); // go!
for (auto& th : threads) th.join();
return 0;
}
好了，到此为止，<condition_variable> 头文件中的两个条件变量类（std::condition_variable 和 std::condition_variable_any）、枚举类型（std::cv_status）、以及辅助函数（std::notify_all_at_thread_exit()）都已经介绍完了。从下一章开始我会逐步开始介绍 <atomic> 头文件中的内容，后续的文章还会介绍 C++11 的内存模型，涉及内容稍微底层一些，希望大家能够保持兴趣，学完 C++11 并发编程，如果你发现本文中的错误，也请给我反馈 ;-)。
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