<condition_variable>

`std::condition_variable`

在 C++11 中，<condition_variable> 头文件提供了 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any 类，用于实现线程间的通知机制，帮助线程在某些条件满足时进行同步。它们通常与 std::mutex 一起使用，以协调线程之间的执行。

1. 基本概念

std::condition_variable 允许线程等待某个条件变量的信号，以便在条件满足时继续执行。线程通过调用 wait 方法进入等待状态，并在条件满足时被唤醒。条件变量通常与互斥锁 (std::mutex) 一起使用，以确保条件检查和修改的原子性。

1.1 `std::condition_variable`

wait 方法: 使线程在条件变量上等待。线程在等待时会释放与之关联的互斥锁，并在条件满足时重新获取锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void waitingThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });  // 等待条件满足
    std::cout << "Condition satisfied!" << std::endl;
}

void signalingThread() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  // 模拟工作
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_all();  // 唤醒所有等待线程
}

int main() {
    std::thread t1(waitingThread);
    std::thread t2(signalingThread);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

notify_one 和 notify_all 方法: 用于唤醒一个或所有等待的线程。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void waitingThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });  // 等待条件满足
    std::cout << "Thread woke up!" << std::endl;
}

void signalingThread() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();  // 唤醒一个等待线程
}

int main() {
    std::thread t1(waitingThread);
    std::thread t2(signalingThread);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

1.2 `std::condition_variable_any`

std::condition_variable_any 可以与任何类型的锁（如 std::mutex、std::recursive_mutex 等）一起使用。它提供了类似于 std::condition_variable 的功能，但不需要特定类型的锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>

std::mutex mtx;
std::condition_variable_any cv;
bool ready = false;

void waitingThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; });  // 等待条件满足
    std::cout << "Condition satisfied!" << std::endl;
}

void signalingThread() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  // 模拟工作
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_all();  // 唤醒所有等待线程
}

int main() {
    std::thread t1(waitingThread);
    std::thread t2(signalingThread);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

2. 使用场景

线程同步: 当多个线程需要在特定条件下执行任务时，使用 std::condition_variable 可以协调它们的执行。
生产者-消费者模式: 在生产者-消费者模式中，消费者线程在没有数据可用时等待条件变量，生产者线程在生产数据后通知消费者线程。

3. 最佳实践

避免虚假唤醒: 条件变量可能会因虚假唤醒而导致线程被唤醒但条件不满足。总是使用 wait 的重载版本，并提供一个谓词函数来检查条件是否满足。
```
cv.wait(lock, [] { return conditionIsMet(); });
```
锁的持有: 确保在调用 wait 方法时持有互斥锁，并在 notify 调用后尽快释放锁。
性能考虑: 在多线程应用中，频繁的 notify_all 可能会导致性能问题。使用 notify_one 时，能避免不必要的线程唤醒，减少上下文切换的开销。

4. 总结

std::condition_variable 和 std::condition_variable_any 是 C++11 提供的重要同步工具，用于在线程间传递信号和条件。通过正确使用条件变量，可以实现高效的线程同步，确保线程在特定条件下进行协调和通信。了解和掌握这些工具的使用方法，对于编写健壮的多线程程序至关重要。

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std::condition_variable