C 语言条件变量

介绍

在多线程编程中，线程之间的同步是一个关键问题。条件变量（Condition Variable）是一种用于线程间通信的机制，它允许线程在某个条件不满足时进入等待状态，直到其他线程通知它条件已经满足。条件变量通常与互斥锁（Mutex）一起使用，以确保线程安全。

条件变量的基本概念

条件变量是POSIX线程（pthread）库中的一部分，它提供了一种机制，使得线程可以等待某个条件成立。条件变量的核心操作包括：

等待（wait）：线程在条件变量上等待，直到其他线程通知它条件已经满足。
通知（signal）：线程通知等待在条件变量上的一个线程，条件已经满足。
广播（broadcast）：线程通知所有等待在条件变量上的线程，条件已经满足。

条件变量的使用

初始化与销毁

在使用条件变量之前，必须先对其进行初始化。条件变量的初始化可以通过静态初始化或动态初始化来完成。

c
#include <pthread.h>

// 静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 动态初始化
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);

在使用完条件变量后，应该调用 pthread_cond_destroy 来销毁它。

c
pthread_cond_destroy(&cond);

等待与通知

条件变量通常与互斥锁一起使用。以下是一个简单的例子，展示了如何使用条件变量来实现线程间的同步。

c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;

void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    ready = 1;
    printf("Producer: Data is ready.\n");
    pthread_cond_signal(&cond);  // 通知消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (ready == 0) {
        printf("Consumer: Waiting for data...\n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 等待条件满足
    }
    printf("Consumer: Data is consumed.\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}

输出：

Consumer: Waiting for data...
Producer: Data is ready.
Consumer: Data is consumed.

在这个例子中，生产者线程设置 ready 为 1，并通知消费者线程。消费者线程在 ready 为 0 时等待，直到生产者线程通知它条件已经满足。

广播通知

有时候，你可能希望通知所有等待在条件变量上的线程。这时可以使用 pthread_cond_broadcast。

c
pthread_cond_broadcast(&cond);

实际应用场景

条件变量在实际应用中非常常见，特别是在生产者-消费者问题、线程池、任务队列等场景中。以下是一个简单的任务队列的例子：

c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define QUEUE_SIZE 10

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int queue[QUEUE_SIZE];
int count = 0;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < QUEUE_SIZE; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == QUEUE_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        queue[count++] = i;
        printf("Producer: Produced %d\n", i);
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < QUEUE_SIZE; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        int item = queue[--count];
        printf("Consumer: Consumed %d\n", item);
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}

输出：

Producer: Produced 0
Consumer: Consumed 0
Producer: Produced 1
Consumer: Consumed 1
...
Producer: Produced 9
Consumer: Consumed 9

在这个例子中，生产者线程向队列中添加任务，消费者线程从队列中取出任务。当队列满时，生产者线程等待；当队列空时，消费者线程等待。

总结

条件变量是C语言多线程编程中非常重要的同步机制。通过条件变量，线程可以在某个条件不满足时进入等待状态，直到其他线程通知它条件已经满足。条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保线程安全。

提示

在实际编程中，使用条件变量时要注意避免死锁和竞态条件。确保在调用 pthread_cond_wait 之前已经获取了互斥锁，并且在等待返回后重新检查条件是否满足。

附加资源与练习

练习：尝试修改上面的任务队列例子，使其支持多个生产者和多个消费者。
进一步阅读：查阅POSIX线程库的官方文档，了解更多关于条件变量的高级用法和注意事项。

通过掌握条件变量，你将能够编写更加高效和可靠的多线程程序。继续练习和探索，你会在多线程编程的道路上越走越远！

介绍​

条件变量的基本概念​

条件变量的使用​

初始化与销毁​

等待与通知​

广播通知​

实际应用场景​

总结​

附加资源与练习​

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