C++开发基础之理解std::condition_variable中的wait与wait_for的区别与使用场景

前言

在多线程编程中，线程之间的同步是一个重要的课题。std::condition_variable 提供了一种机制，允许线程在某些条件满足之前进行等待。我们通常使用 wait 和 wait_for 等函数来控制线程的阻塞和唤醒。虽然这两个函数看起来类似，但它们之间存在一些重要的区别。在本文中，我们将详细介绍这两者的差异以及它们适用的场景。

std::condition_variable::wait：无限等待

1. 基本功能：

m_cv.wait(lock) 是条件变量最常见的使用方式。它的作用是让当前线程进入阻塞状态，直到以下两个条件之一发生：

• 条件变量被通知（notify_one() 或 notify_all() 被调用）。
• 条件变量的状态满足某个条件，通常需要在等待前和后检查某个共享数据。

当线程调用 wait 时，它会释放与之相关联的锁 (std::unique_lock 或 std::lock_guard)，允许其他线程在等待期间修改共享数据。当通知发生时，线程会重新获得锁，并继续执行。

2. 代码示例：

std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
m_cv.wait(lock);  // 阻塞当前线程直到被通知

3. 适用场景：

m_cv.wait(lock) 非常适用于以下场景：

• 你希望线程在没有条件满足时保持等待状态，直到其他线程调用通知。
• 适合于生产者-消费者模型，或者任何需要等待特定条件触发的同步场景。

4. 注意事项：

• 由于该函数会阻塞线程直到通知，因此它可能会导致线程长时间处于等待状态，这时我们通常会在 wait 调用之前判断条件，以确保线程只有在真正需要等待时才进入阻塞。

std::condition_variable::wait_for：带超时的等待

1. 基本功能：

与 wait 不同，m_cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(100)) 允许我们在等待时设置超时时间。在这个例子中，当前线程会等待最多 100 毫秒，或者直到被通知为止。

如果超时后线程仍然没有收到通知，wait_for 会自动返回 false，表示超时发生。否则，如果条件满足，或者收到了通知，它会返回 true。

2. 代码示例：

std::unique_lock<std::mutex> lock(m_mutex);
bool notified = m_cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(100));  // 等待最多100毫秒
if (!notified) {std::cout << "超时未收到通知" << std::endl;
} else {std::cout << "收到通知" << std::endl;
}

3. 适用场景：

m_cv.wait_for 在以下情况下非常有用：

• 你希望给等待的线程设置一个最长等待时间，避免线程在无条件满足时一直阻塞。
• 适用于一些需要响应超时的应用，比如定时任务，或者在一定时间内需要获取资源的场景。

4. 注意事项：

• 如果设置了超时时间，线程在超时后会返回。这时，我们可以根据返回值来决定是否继续执行，或者处理超时的逻辑。
• 超时机制避免了死锁的风险，但也可能导致线程在超时后执行不完整的任务，因此需要在应用中合理使用。

区别总结

特性	m_cv.wait(lock)	m_cv.wait_for(lock, timeout)
超时控制	无限等待，直到收到通知	设置一个最大等待时间，超时后返回 false
返回值	没有返回值，线程在通知时继续执行	返回 true 或 false，表示是否在超时前收到通知
使用场景	适合需要等待某个条件或事件发生的场景	适合需要控制等待时间，避免死锁的场景
阻塞行为	无限阻塞直到条件满足	阻塞指定时间后自动返回

什么时候使用 wait，什么时候使用 wait_for？

• 使用 wait： 当你希望线程在没有收到通知之前一直阻塞，并且没有必要关心等待的最大时间时，使用 wait。
• 使用 wait_for： 当你希望线程在等待时能够响应超时，或者希望限制等待时间，避免线程长时间处于阻塞状态时，使用 wait_for。

总结

std::condition_variable 提供了强大的线程同步能力，尤其是在处理多线程之间的通知和协调时非常有用。理解 wait 和 wait_for 之间的区别，并根据实际需求选择合适的等待方式，是编写高效且安全的多线程代码的关键。在选择这两者时，你需要考虑是否需要超时机制，以及如何处理超时后可能的错误或恢复逻辑。