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C++ 条件变量与线程通知机制：std::condition_variable

ai 2025/8/24 20:48:28

✅ 简介

std::condition_variable 是 C++11 引入的线程间通信机制，允许线程在某个条件满足时被唤醒。
通常与 std::mutex 一起配合使用，用于实现生产者-消费者模型、线程等待任务等场景。

🔄 基本原理

一个线程调用 wait() 进入阻塞状态，直到另一个线程调用 notify_one() 或 notify_all()。
wait() 会自动释放传入的 mutex，并在被唤醒时重新获取锁。

⚠️ 虚假唤醒（Spurious Wakeup）

调用 wait() 的线程有可能在没有收到通知时被唤醒，这被称为虚假唤醒。
因此，推荐使用带谓词版本的 wait(lock, predicate) 形式：
```
cv.wait(lock, []{ return 条件满足; });
```
这样即使发生虚假唤醒，wait 也会再次检查条件是否成立，确保线程只有在需要时才继续执行。

🔧 使用方式

示例：生产者-消费者模型（含虚假唤醒处理）

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
#include <atomic>
#include <csignal>
#include <chrono>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> dataQueue;
std::atomic<bool> stop{false};// 信号处理函数，捕获 Ctrl+C
void signalHandler(int signum) {stop = true;cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}void producer() {int i = 0;while (!stop) {{std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);dataQueue.push(i);std::cout << "Produced: " << i << std::endl;++i;}cv.notify_one(); // 通知一个等待的线程std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 休眠 1 秒}cv.notify_all(); // 通知消费者停止
}void consumer() {while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [] { return !dataQueue.empty() || stop; }); // 等待数据或停止信号if (!dataQueue.empty()) {std::cout << "Consumed: " << dataQueue.front() << std::endl;dataQueue.pop();lock.unlock(); // 提前解锁以减少锁持有时间std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 休眠 1 秒} else if (stop) {break; // 队列为空且收到停止信号，退出}}
}int main() {// 注册信号处理函数std::signal(SIGINT, signalHandler);std::thread t1(producer);std::thread t2(consumer);t1.join();t2.join();return 0;
}

☑️ 关键函数说明

函数名	说明
`wait(lock)`	等待并释放锁，直到 `notify_one` 被调用。⚠️ 可能发生虚假唤醒。
`wait(lock, predicate)`	带条件的等待，直到 predicate 返回 true。✅ 推荐用法
`notify_one()`	唤醒一个等待的线程。
`notify_all()`	唤醒所有等待的线程。

📌 总结

特性	描述
同步机制	用于线程之间的通信
等待效率	阻塞等待，不占用 CPU
虚假唤醒	可能无通知就被唤醒，需使用谓词保护
适用场景	生产者-消费者、线程池任务调度等
配套使用	`std::mutex` + `std::unique_lock` 配合