C++ 条件变量虚假唤醒问题的解决
在 C++ 中，std::condition_variable 的 wait 和 wait_for 方法除了可以传入一个锁（std::unique_lock），还可以传入一个谓词函数（函数或可调用对象）。这个谓词的作用是让条件变量在特定的条件满足时才退出等待。
1. 谓词的作用
谓词是一个返回布尔值的函数或可调用对象，它用于判断某个条件是否满足。如果条件不满足，wait 会继续阻塞当前线程；如果条件满足，线程会立即退出等待状态。
为什么需要谓词？
- 避免虚假唤醒（Spurious Wakeups）。虚假唤醒是指线程被唤醒后，实际并没有满足预期的条件。
- 简化代码逻辑。通过传入谓词，避免手动使用循环反复检查条件。
2. 常见用法示例
无谓词的使用
如果不使用谓词，必须手动在循环中检查条件：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void worker() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);// 使用循环检查条件while (!ready) {cv.wait(lock); // 等待唤醒}std::cout << "Worker is proceeding!" << std::endl;
}void notifier() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);ready = true;cv.notify_one(); // 唤醒一个等待线程
}int main() {std::thread t1(worker);std::thread t2(notifier);t1.join();t2.join();return 0;
}
在这种情况下，cv.wait(lock); 只是等待被唤醒，但必须手动在循环中检查 ready 是否为 true。否则，线程可能会因为虚假唤醒提前退出。
带谓词的使用
通过传入谓词，可以让 wait 方法自动检查条件，避免手动循环：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void worker() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);// 使用谓词，只有条件满足时才退出等待cv.wait(lock, [] { return ready; });std::cout << "Worker is proceeding!" << std::endl;
}void notifier() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);ready = true;cv.notify_one(); // 唤醒一个等待线程
}int main() {std::thread t1(worker);std::thread t2(notifier);t1.join();t2.join();return 0;
}
解释：
cv.wait(lock, [] { return ready; });表示：只有当ready为true时，wait才会退出等待。- 如果
ready为false，wait会重新进入阻塞状态，直到被唤醒并再次检查条件（谓词）。
3. 谓词的优点
(1) 避免虚假唤醒
虚假唤醒可能会导致线程在条件未满足的情况下提前退出等待状态。如果不使用谓词，必须通过循环反复检查条件。
(2) 简化代码逻辑
使用谓词将条件检查逻辑封装到 wait 方法中，代码更简洁、更清晰。
4. 常见的 wait 方法
(1) wait
cv.wait(lock); // 等待被唤醒
cv.wait(lock, [] { return ready; }); // 等待被唤醒，同时检查谓词
(2) wait_for
wait_for 用于等待一定的时间，并同时检查谓词：
if (cv.wait_for(lock, std::chrono::seconds(2), [] { return ready; })) {std::cout << "Condition met within 2 seconds!" << std::endl;
} else {std::cout << "Timeout!" << std::endl;
}
(3) wait_until
wait_until 用于等待到某个时间点，并同时检查谓词：
auto timeout = std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::seconds(2);
if (cv.wait_until(lock, timeout, [] { return ready; })) {std::cout << "Condition met before timeout!" << std::endl;
} else {std::cout << "Timeout!" << std::endl;
}
5. 总结
- 谓词的作用：自动检查条件是否满足，避免虚假唤醒，简化等待逻辑。
- 常见写法：
cv.wait(lock, [] { return condition; });，只有当condition为true时，线程才会退出等待。 - 使用场景：在多线程程序中，配合条件变量和锁，用于线程间的同步与通信。