c++多線程為何要使用條件變量詳解
先看示例1：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
using namespace std;
int nmax = 20;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
//生產(chǎn)者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費(fèi)者
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
if (!m_que.empty())
{
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
cout << "consumed:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
if (i == nmax)
{
break;
}
}
else
{
lcx.unlock();
}
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
getchar();
system("pause");
}
結(jié)果：
可見cpu使用率非常高。高的原因主要在消費(fèi)者線程中，因?yàn)楫?dāng)隊(duì)列為空的時(shí)候它也要執(zhí)行，做了過(guò)多的無(wú)用功導(dǎo)致CPU占有率過(guò)高，所以下面對(duì)進(jìn)行一個(gè)改造讓其在空的時(shí)候等待200毫秒，相當(dāng)于增大了輪詢間隔周期，應(yīng)該能降低CPU的占用率。
在這里就貼上消費(fèi)者的線程，因?yàn)槠渌亩家粯印?/p>
//消費(fèi)者
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
if (!m_que.empty())
{
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
cout << "consumed:" << i << endl;
lcx.unlock();
i++;
if (i == nmax)
{
break;
}
}
else
{
lcx.unlock();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
結(jié)果：
可見CPU占用率一下子下降了。
這里就有一個(gè)困難了，那就是如何確定休眠的時(shí)間間隔（即輪詢間隔周期），如果間隔太短會(huì)過(guò)多占用CPU資源，如果間隔太長(zhǎng)會(huì)因無(wú)法及時(shí)響應(yīng)造成延誤。
這就引入了條件變量來(lái)解決該問題：條件變量使用“通知—喚醒”模型，生產(chǎn)者生產(chǎn)出一個(gè)數(shù)據(jù)后通知消費(fèi)者使用，消費(fèi)者在未接到通知前處于休眠狀態(tài)節(jié)約CPU資源；當(dāng)消費(fèi)者收到通知后，趕緊從休眠狀態(tài)被喚醒來(lái)處理數(shù)據(jù)，使用了事件驅(qū)動(dòng)模型，在保證不誤事兒的情況下盡可能減少無(wú)用功降低對(duì)資源的消耗。
condition_variable介紹
在C++11中，我們可以使用條件變量（condition_variable）實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程間的同步操作；當(dāng)條件不滿足時(shí)，相關(guān)線程被一直阻塞，直到某種條件出現(xiàn)，這些線程才會(huì)被喚醒。
成員函數(shù)如下：
條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個(gè)動(dòng)作：
a.一個(gè)線程因等待"條件變量的條件成立"而掛起；
b.另外一個(gè)線程使"條件成立"，給出信號(hào)，從而喚醒被等待的線程。
為了防止競(jìng)爭(zhēng)，條件變量的使用總是和一個(gè)互斥鎖結(jié)合在一起；通常情況下這個(gè)鎖是std::mutex，并且管理這個(gè)鎖 只能是 std::unique_lockstd::mutex RAII模板類。
上面提到的兩個(gè)步驟，分別是使用以下兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)：
1.等待條件成立使用的是condition_variable類成員wait 、wait_for 或 wait_until。
2.給出信號(hào)使用的是condition_variable類成員notify_one或者notify_all函數(shù)。
以上兩個(gè)類型的wait函數(shù)都在會(huì)阻塞時(shí)，自動(dòng)釋放鎖權(quán)限，即調(diào)用unique_lock的成員函數(shù)unlock（），以便其他線程能有機(jī)會(huì)獲得鎖。這就是條件變量只能和unique_lock一起使用的原因，否則當(dāng)前線程一直占有鎖，線程被阻塞。
虛假喚醒
在正常情況下，wait類型函數(shù)返回時(shí)要不是因?yàn)楸粏拘眩皇且驗(yàn)槌瑫r(shí)才返回，但是在==實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，因此操作系統(tǒng)的原因，wait類型在不滿足條件時(shí)，它也會(huì)返回，這就導(dǎo)致了虛假喚醒。==因此，我們一般都是使用帶有謂詞參數(shù)的wait函數(shù)，因?yàn)檫@種(xxx, Predicate pred )類型的函數(shù)等價(jià)于：
while (!pred()) //while循環(huán)，解決了虛假喚醒的問題
{
wait(lock);
}
原因說(shuō)明如下：
假設(shè)系統(tǒng)不存在虛假喚醒的時(shí)，代碼形式如下：
if (不滿足xxx條件)
{
//沒有虛假喚醒，wait函數(shù)可以一直等待，直到被喚醒或者超時(shí)，沒有問題。
//但實(shí)際中卻存在虛假喚醒，導(dǎo)致假設(shè)不成立，wait不會(huì)繼續(xù)等待，跳出if語(yǔ)句，
//提前執(zhí)行其他代碼，流程異常
wait();
}
//其他代碼
...
正確的使用方式，使用while語(yǔ)句解決：
while (!(xxx條件) )
{
//虛假喚醒發(fā)生，由于while循環(huán)，再次檢查條件是否滿足，
//否則繼續(xù)等待，解決虛假喚醒
wait();
}
//其他代碼
....
下面看一個(gè)使用條件變量的情況：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
condition_variable mycv;
//生產(chǎn)者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
mycv.notify_one();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費(fèi)者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
int i = 0;
bool m_bexit = false;
while (!m_bexit)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
while (m_que.empty())
{
//避免虛假喚醒
mycv.wait(lcx);
if (m_bflag)
{
cout << "consumerex thread exit\n";
m_bexit = true;
break;
}
}
if (m_bexit)
{
break;
}
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
lcx.unlock();
cout << "consumed:" << i << endl;
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
mycv.notify_one();
Sleep(15000);
m_que.push_back(100);
mycv.notify_one();
Sleep(3000);
m_bflag = true;
mycv.notify_one();//通知線程退出
getchar();
system("pause");
}
結(jié)果：
還可以將mycv.wait(lcx);換一種寫法，wait()的第二個(gè)參數(shù)可以傳入一個(gè)函數(shù)表示檢查條件，這里使用lambda函數(shù)最為簡(jiǎn)單，如果這個(gè)函數(shù)返回的是true，wait()函數(shù)不會(huì)阻塞會(huì)直接返回，如果這個(gè)函數(shù)返回的是false，wait()函數(shù)就會(huì)阻塞著等待喚醒，如果被偽喚醒，會(huì)繼續(xù)判斷函數(shù)返回值。代碼示例如下：
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include <mutex>
#include<deque>
#include <thread>
#include<condition_variable>
using namespace std;
int nmax = 10;
std::deque<int> m_que;
std::mutex mymutex;
condition_variable mycv;
//生產(chǎn)者
void producterex()
{
int i = 1;
while (i<nmax)
{
//休眠一秒鐘
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
m_que.push_back(i);
cout << "producted:" << i << endl;
lcx.unlock();
mycv.notify_one();
i++;
}
cout << "product thread exit\n";
}
//消費(fèi)者
bool m_bflag = false;
void consumerex()
{
int i = 0;
while (1)
{
std::unique_lock<mutex> lcx(mymutex);
mycv.wait(lcx, [](){
//返回false就繼續(xù)等待
return !m_que.empty();
});
if (m_bflag)
{
break;
}
int i = m_que.back();
m_que.pop_back();
lcx.unlock();
cout << "consumed:" << i << endl;
}
cout << "consumerex thread exit\n";
}
void main()
{
std::thread t1(producterex);
std::thread t2(consumerex);
t1.detach();
cout << "hello";
t2.detach();
cout << " world!\n";
mycv.notify_one();
Sleep(15000);
m_que.push_back(100);
mycv.notify_one();
Sleep(3000);
m_bflag = true;
m_que.push_back(-1);
mycv.notify_one();//通知線程退出
getchar();
system("pause");
}
總結(jié)
到此這篇關(guān)于c++多線程為何要使用條件變量的文章就介紹到這了,更多相關(guān)c++多線程條件變量?jī)?nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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