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什么是条件变量#xff1f;
条件变量#xff08;Condition Variable#xff09;是多线程编程中用于线程间通信和同步的一种机制。它通常与互斥锁#xff08;Mutex#xff09;一起使用#xff0c;用于解决线程竞争和避免忙等待的问题。#xff08;条件变量不能…一、介绍
什么是条件变量
条件变量Condition Variable是多线程编程中用于线程间通信和同步的一种机制。它通常与互斥锁Mutex一起使用用于解决线程竞争和避免忙等待的问题。条件变量不能单独使用
条件变量解决的主要问题是当一个线程需要等待某个条件变成真时它可以释放互斥锁让其他线程有机会执行。当条件变成真时线程可以重新获得互斥锁并继续执行。能提高线程的效率避免了一些不必要的忙等待。
条件变量通常与以下三个函数一起使用
pthread_cond_init 初始化条件变量。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
pthread_cond_wait 在等待条件变为真的同时释放互斥锁将线程挂起。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
pthread_cond_signal / pthread_cond_broadcast 用于通知等待条件变为真的线程。
pthread_cond_signal通知等待队列中的一个线程。pthread_cond_broadcast通知等待队列中的所有线程。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
使用条件变量时几种典型的模式
线程在互斥锁的保护下检查条件是否满足。如果条件不满足线程调用 pthread_cond_wait 来等待条件的变化同时释放互斥锁。当其他线程满足条件时它们会调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 来通知等待的线程。被通知的线程醒来重新获得互斥锁再次检查条件是否满足。如果条件满足它继续执行否则它可能再次等待。
二、使用举例
题目描述
使用两个线程实现交替打印“hello thread A”“hello thread B”要求不能出现连续的同一个线程进行打印。
解决方法
定义一个互斥锁g_lock用于保护共享资源确保一次只有一个线程可以访问临界区避免数据竞争
定义两个条件变量thread_a_cond、thread_b_cond用于控制线程间的通信。
定义一个变量g_is_my_turn控制两个线程的执行顺序。
定义两个函数thread_a_start、thread_b_start分别让两个线程来调用。
void *thread_a_start(void *arg)
{(void)arg;while (1){pthread_mutex_lock(g_lock);while (g_is_my_turn 1){pthread_cond_wait(thread_a_cond, g_lock);}printf(hello thread A\n);sleep(1);g_is_my_turn;pthread_mutex_unlock(g_lock);pthread_cond_signal(thread_b_cond);}
}
arg 参数未被使用因此在函数体内使用 (void)arg; 这样的语句是为了消除编译器可能产生的未使用参数的警告。线程A通过互斥锁保护临界区。当 g_is_my_turn 为1时线程A等待条件变量 thread_a_cond直到线程B通知。打印信息休眠1秒然后通过递增 g_is_my_turn 来通知线程B可以执行。解锁互斥锁并通过条件变量 thread_b_cond 通知线程B。
void *thread_b_start(void *arg)
{(void)arg;while (1){sleep(1);pthread_mutex_lock(g_lock);while (g_is_my_turn 0){pthread_cond_wait(thread_b_cond, g_lock);}printf(hello thread B\n);sleep(1);g_is_my_turn--;pthread_mutex_unlock(g_lock);pthread_cond_signal(thread_a_cond);}
}
线程B休眠1秒然后通过互斥锁保护临界区。当 g_is_my_turn 为0时线程B等待条件变量 thread_b_cond直到线程A通知。打印信息休眠1秒然后通过递减 g_is_my_turn 来通知线程A可以执行。解锁互斥锁并通过条件变量 thread_a_cond 通知线程A。
主函数调用
初始化互斥锁和条件变量。创建两个线程分别执行线程A和线程B的函数。等待两个线程的结束。销毁互斥锁和条件变量。
int main()
{// 初始化pthread_mutex_init(g_lock, NULL);pthread_cond_init(thread_a_cond, NULL);pthread_cond_init(thread_b_cond, NULL);// 定义两个线程pthread_t thread_a, thread_b;int ret pthread_create(thread_a, NULL, thread_a_start, NULL);if (ret 0){perror(pthread_create error);return 0;}ret pthread_create(thread_b, NULL, thread_b_start, NULL);if (ret 0){perror(pthread_create error);return 0;}pthread_join(thread_a, NULL);pthread_join(thread_b, NULL);pthread_mutex_destroy(g_lock);pthread_cond_destroy(thread_a_cond);pthread_cond_destroy(thread_b_cond);return 0;
}
函数解析
在 pthread_create 函数中各个参数的含义如下
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
thread 一个指向 pthread_t 类型的变量的指针用于存储新创建线程的标识符。attr 一个指向 pthread_attr_t 类型的变量的指针用于指定线程的属性。一般使用NULL。start_routine 是一个函数指针指向线程的起始函数。这个函数必须返回 void * 类型接受一个 void * 类型的参数。线程将从这个函数开始执行。该函数的参数只能有且一个void*类型。arg 传递给 start_routine 函数的参数这里是一个 void * 类型的指针。通常可以使用这个参数来向线程传递一些数据。
pthread_join(thread_a, NULL);
pthread_join 用于等待指定的线程终止。hread_a 是被等待的线程。第二个参数是一个指向线程返回值的指针这里使用 NULL 表示不关心线程的返回值。当调用 pthread_join 后主线程会一直阻塞直到指定的线程thread_a终止。
pthread_join(thread_b, NULL);同上。
pthread_mutex_destroy(g_lock);
pthread_mutex_destroy 用于销毁互斥锁。在线程使用完互斥锁后调用该函数释放相关资源。
pthread_cond_destroy(thread_a_cond); pthread_cond_destroy(thread_b_cond);
pthread_cond_destroy 用于销毁条件变量。在线程使用完条件变量后调用该函数释放相关资源。
线程同步逻辑
线程A逻辑
当 g_is_my_turn 0表示现在是线程A的执行时机。执行任务通过递增 g_is_my_turn 使线程B可以执行。通过条件变量 thread_b_cond 来通知线程B。
线程B逻辑
当g_is_my_turn 1表示现在是线程B的执行时机。执行任务通过递减 g_is_my_turn 使线程A可以执行。通过条件变量 thread_a_cond 来通知线程A。
运行截图
