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使用条件变量实现线程同步：C++实战指南

news 2025/6/30 21:17:02

使用条件变量实现线程同步：C++实战指南

在多线程编程中，线程同步是确保程序正确性和稳定性的关键。条件变量（condition variable）是一种强大的同步原语，用于在线程之间进行协调，避免数据竞争和死锁。本文将详细介绍如何在C++中使用条件变量实现线程同步，并提供完整的代码示例和详细的解释。

什么是条件变量？

条件变量是一种同步机制，允许线程在某个条件满足之前进入等待状态，并在条件满足时被唤醒。条件变量通常与互斥锁（mutex）一起使用，以确保对共享资源的安全访问。

条件变量的基本用法

在C++11中，条件变量由std::condition_variable类提供。其基本用法如下：

创建条件变量和互斥锁：

std::condition_variable cv;
std::mutex mtx;

等待条件满足：

std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return condition; });

通知等待的线程：

cv.notify_one();  // 唤醒一个等待的线程
cv.notify_all();  // 唤醒所有等待的线程

实现生产者-消费者模型

为了展示条件变量的实际应用，我们将实现一个简单的生产者-消费者模型。生产者线程生成数据并将其放入缓冲区，而消费者线程从缓冲区中取出数据进行处理。条件变量用于协调生产者和消费者之间的操作。

代码实现

以下是一个完整的C++代码示例，展示如何使用条件变量实现生产者-消费者模型：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>// 定义缓冲区大小
const int BUFFER_SIZE = 10;// 线程安全的缓冲区
std::queue<int> buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool done = false;// 生产者函数
void producer(int id) {for (int i = 0; i < 20; ++i) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [] { return buffer.size() < BUFFER_SIZE; });buffer.push(i + id * 100);std::cout << "Producer " << id << " produced " << i + id * 100 << std::endl;cv.notify_all();}done = true;cv.notify_all();
}// 消费者函数
void consumer(int id) {while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [] { return !buffer.empty() || done; });if (!buffer.empty()) {int item = buffer.front();buffer.pop();std::cout << "Consumer " << id << " consumed " << item << std::endl;} else if (done) {break;}cv.notify_all();}
}int main() {// 创建生产者线程和消费者线程std::vector<std::thread> producers;std::vector<std::thread> consumers;for (int i = 0; i < 3; ++i) {producers.emplace_back(producer, i);}for (int i = 0; i < 3; ++i) {consumers.emplace_back(consumer, i);}// 等待所有线程完成for (auto& p : producers) {p.join();}for (auto& c : consumers) {c.join();}return 0;
}

代码解析

缓冲区管理：
- 使用std::queue<int>作为缓冲区，存储生产者生成的数据。
- 使用std::mutex和std::condition_variable来确保缓冲区的线程安全。
生产者函数：
- 生产者线程生成数据并将其放入缓冲区。
- 使用std::unique_lock<std::mutex>锁定缓冲区，确保线程安全。
- 使用cv.wait等待缓冲区有空闲空间。
- 生成数据后，使用cv.notify_all通知消费者线程。
消费者函数：
- 消费者线程从缓冲区中取出数据进行处理。
- 使用std::unique_lock<std::mutex>锁定缓冲区，确保线程安全。
- 使用cv.wait等待缓冲区有数据可供消费。
- 取出数据后，使用cv.notify_all通知生产者线程。
线程管理：
- 使用std::vector<std::thread>创建多个生产者线程和消费者线程。
- 使用join方法等待所有线程完成。