【C++】多线程同步三剑客介绍

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条件变量

头文件

主要操作函数

1、等待操作

2、唤醒操作

使用示例

信号量

头文件

主要操作函数

1、信号量初始化

2、等待操作（P操作）

3、信号操作（V操作）

4、获取信号量值 

5、销毁信号量

使用示例

互斥锁

头文件

使用示例

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当我们需要给多个线程的指定执行顺序的时候，我们通常有多种方法：

• 条件变量
• 信号量
• 互斥锁

在这篇文章里，会介绍如何使用这三种方式来为多个线程指定执行顺序，以及在使用的时候需要主义的地方。

条件变量

        条件变量是C++11引入的同步原语，用于在多线程环境中实现线程间的等待和通知机制。它允许一个或多个线程等待某个条件成立，当条件满足时，其他线程可以通知等待的线程继续执行，一般需要配合unique_lock使用。

头文件

#include <condition_variable>

主要操作函数

1、等待操作

a）基本形式

void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock);

b）带谓词形式

template<class Predicate>
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred);

 两者的区别在于处理虚假唤醒的情况比较明显，这个在后面介绍哈。

2、唤醒操作

a）唤醒单个线程

void notify_one() noexcept;

特点：唤醒等待队列中的一个线程，具体是哪个线程是未定义的

b）唤醒所有线程

void notify_all() noexcept;

特点：唤醒等待队列中的所有线程，性能开销比较大，但是确保所有等待线程都被唤醒。

这里需要介绍一下虚假唤醒的问题

        虚假唤醒是指线程在没有收到notify_one或者notify_all调用的情况，从wait状态中被唤醒。为什么会出现虚假唤醒的情况呢？因为可能会出现系统信号中断条件变量的等待（SIGINT），或者因为底层I/O操作等底层系统调用中断，导致pthread_cond_wait() 被中断返回，因此出现虚假唤醒的情况。

        在上面，我们介绍了两种等待的方式，他们在处理虚假唤醒的情况表现有所不同。

        带谓词的等待方式，会自动处理虚假唤醒，不需要我们再进行手动处理，那么他是怎么做到自动处理的呢，他的内部实现等价如下代码，就是在循环中不断判断条件是否满足，以此来处理虚假唤醒的情况。

// 带谓词的wait()函数的内部实现等价于：
template<class Predicate>
void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred) {while (!pred()) {        // 关键：自动循环检查wait(lock);          // 调用基本的wait()}// 退出循环时，保证 pred() 返回 true
}

        基本的等待方式 需要我们手动处理虚假唤醒的情况，如下代码是有问题的：

void wrong_basic_wait() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);// 错误：只等待一次，不处理虚假唤醒cv.wait(lock);// 假设条件一定满足 - 危险！if (data_ready) {process_data();}
}

        如果因为底层系统调用中断了等待，但是此时条件并不满足，比如数据并未准备好，会出现未定义的情况，因此，我们需要模仿带谓词的等待方式的等价写法，在循环中判断，如下：

void correct_basic_wait() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);// 正确：使用循环处理虚假唤醒while (!condition_satisfied()) {cv.wait(lock);// 如果是虚假唤醒，循环会继续等待// 如果条件真的满足，循环会退出}// 这里保证条件一定满足process_data();
}

使用示例

1114. 按序打印 - 力扣（LeetCode）https://leetcode.cn/problems/print-in-order/description/

class Foo {condition_variable m_cv;mutex m_mtx;int m_nFlg;
public:Foo() {m_nFlg=1;}void first(function<void()> printFirst) {// printFirst() outputs "first". Do not change or remove this line.unique_lock<mutex> lock(m_mtx);m_cv.wait(lock,[=](){return m_nFlg==1;});printFirst();m_nFlg=2;m_cv.notify_all();}void second(function<void()> printSecond) {// printSecond() outputs "second". Do not change or remove this line.unique_lock<mutex> lock(m_mtx);m_cv.wait(lock,[=](){return m_nFlg==2;});printSecond();m_nFlg=3;m_cv.notify_all();}void third(function<void()> printThird) {// printThird() outputs "third". Do not change or remove this line.unique_lock<mutex> lock(m_mtx);m_cv.wait(lock,[=](){return m_nFlg==3;});printThird();m_nFlg=1;m_cv.notify_all();}
};

信号量

信号量的本质就是一个非负整数计数器，支持两个原子操作：P（等待/减少）、V（信号/增加）

头文件

#include <semaphore.h>

主要操作函数

1、信号量初始化

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参数说明：

• sem：指向信号量(sem_t)的指针
• pshared：0表示线程间共享，非0表示进程间共享
• value：信号量的初始值

返回值

• 返回0：初始化成功
• 返回-1：初始化失败，同时设置errno的错误码。

2、等待操作（P操作）

信号量等待有三种方式

a）sem_wait()-阻塞等待

int sem_wait(sem_t *sem);

特点：如果信号量值为0，线程会一直阻塞等待，知道信号量可用。

b）sem_trywait()-非阻塞等待

int sem_trywait(sem_t *sem);

特点：非阻塞等待，立即返回，不会等待，如果信号量不可用，立即返回-1，不会造成线程阻塞的情况，适用于轮询场景

c）sem_timedwait() - 超时等待

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

特点：在指定时间内等待，超时后返回-1，使用绝对时间戳，不是相对时间。

这个参数比较多，这里演示下用法：

struct timespec结构体用于存储超时时间：

• tv_sec：秒数
• tv_nsec：纳秒数

#include <semaphore.h>
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <errno.h>void timed_work() {struct timespec timeout;clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);timeout.tv_sec += 5;  // 5秒后超时int result = sem_timedwait(&sem, &timeout);if (result == 0) {std::cout << "在超时前获取到信号量" << std::endl;// 执行临界区代码sem_post(&sem);} else {if (errno == ETIMEDOUT) {std::cout << "等待超时，放弃获取" << std::endl;}}
}

 下面的代码作用是获取当前的系统时间，CLOCK_REALTIME表示使用系统实时时钟

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);

3、信号操作（V操作）

释放信号量，也就是将信号量的值+1。

int sem_post(sem_t *sem);

4、获取信号量值 

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

5、销毁信号量

这种只能用于未命名的信号量，比如我们直接定义的sem_t sem，就属于未命名信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

使用示例

1114. 按序打印 - 力扣（LeetCode）https://leetcode.cn/problems/print-in-order/description/这题希望我们指定三个线程的执行顺序，我们可以定义三个信号量来进行控制

class Foo {sem_t s1,s2,s3;
public:Foo() {sem_init(&s1,0,1);sem_init(&s2,0,0);sem_init(&s3,0,0);}~Foo() {sem_destroy(&s1);sem_destroy(&s2);sem_destroy(&s3);}void first(function<void()> printFirst) {// printFirst() outputs "first". Do not change or remove this line.sem_wait(&s1);printFirst();sem_post(&s2);}void second(function<void()> printSecond) {// printSecond() outputs "second". Do not change or remove this line.sem_wait(&s2);printSecond();sem_post(&s3);}void third(function<void()> printThird) {// printThird() outputs "third". Do not change or remove this line.sem_wait(&s3);printThird();sem_post(&s1);}
};

互斥锁

头文件

#include <mutex>

使用示例

因为互斥锁比较简单这里，直接展示使用示例：1114. 按序打印 - 力扣（LeetCode）https://leetcode.cn/problems/print-in-order/

class Foo {mutex mtx1,mtx2,mtx3;
public:Foo() {mtx2.lock();mtx3.lock();}void first(function<void()> printFirst) {// printFirst() outputs "first". Do not change or remove this line.mtx1.lock();printFirst();mtx2.unlock();}void second(function<void()> printSecond) {// printSecond() outputs "second". Do not change or remove this line.mtx2.lock();printSecond();mtx3.unlock();}void third(function<void()> printThird) {// printThird() outputs "third". Do not change or remove this line.mtx3.lock();printThird();mtx1.unlock();}
};