前面三讲《C++11 并发指南二(std::thread 详解)》，《C++11 并发指南三(std::mutex 详解)》分别介绍了 std::thread，std::mutex，std::future 等相关内容，相信读者对 C++11 中的多线程编程有了一个最基本的认识，本文将介绍 C++11 标准中 <condition_variable> 头文件里面的类和相关函数。
<condition_variable > 头文件主要包含了与条件变量相关的类和函数。相关的类包括 std::condition_variable 和 std::condition_variable_any，还有枚举类型std::cv_status。另外还包括函数 std::notify_all_at_thread_exit()，下面分别介绍一下以上几种类型。
std::condition_variable 类介绍
std::condition_variable 是条件变量，更多有关条件变量的定义参考维基百科。Linux 下使用 Pthread 库中的 pthread_cond_*() 函数提供了与条件变量相关的功能， Windows 则参考 MSDN。
当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程。
std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lock<std::mutex> 来等待，如果需要使用另外的 lockable 类型，可以使用 std::condition_variable_any 类，本文后面会讲到 std::condition_variable_any 的用法。
首先我们来看一个简单的例子
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread 3 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 4 #include <condition_variable> // std::condition_variable 5 6 std::mutex mtx; // 全局互斥锁. 7 std::condition_variable cv; // 全局条件变量. 8 bool ready = false; // 全局标志位. 9 10 void do_print_id(int id) 11 { 12 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 13 while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待... 14 cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后, 15 // 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id. 16 std::cout << "thread " << id << ' '; 17 } 18 19 void go() 20 { 21 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 22 ready = true; // 设置全局标志位为 true. 23 cv.notify_all(); // 唤醒所有线程. 24 } 25 26 int main() 27 { 28 std::thread threads[10]; 29 // spawn 10 threads: 30 for (int i = 0; i < 10; ++i) 31 threads[i] = std::thread(do_print_id, i); 32 33 std::cout << "10 threads ready to race... "; 34 go(); // go! 35 36 for (auto & th:threads) 37 th.join(); 38 39 return 0; 40 }
执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-basic1 10 threads ready to race... thread 1 thread 0 thread 2 thread 3 thread 4 thread 5 thread 6 thread 7 thread 8 thread 9
好了，对条件变量有了一个基本的了解之后，我们来看看 std::condition_variable 的各个成员函数。
std::condition_variable 构造函数
| default (1) |
condition_variable(); |
|---|---|
| copy [deleted] (2) |
condition_variable (const condition_variable&) = delete; |
std::condition_variable 的拷贝构造函数被禁用，只提供了默认构造函数。
std::condition_variable::wait() 介绍
| unconditional (1) |
void wait (unique_lock<mutex>& lck); |
|---|---|
| predicate (2) |
template <class Predicate> void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred); |
std::condition_variable 提供了两种 wait() 函数。当前线程调用 wait() 后将被阻塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），不妨设获得锁 lck)，直到另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程。
在线程被阻塞时，该函数会自动调用 lck.unlock() 释放锁，使得其他被阻塞在锁竞争上的线程得以继续执行。另外，一旦当前线程获得通知(notified，通常是另外某个线程调用 notify_* 唤醒了当前线程)，wait() 函数也是自动调用 lck.lock()，使得 lck 的状态和 wait 函数被调用时相同。
在第二种情况下（即设置了 Predicate），只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞。因此第二种情况类似以下代码：
while (!pred()) wait(lck);
请看下面例子（参考）：
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield 3 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 4 #include <condition_variable> // std::condition_variable 5 6 std::mutex mtx; 7 std::condition_variable cv; 8 9 int cargo = 0; 10 bool shipment_available() 11 { 12 return cargo != 0; 13 } 14 15 // 消费者线程. 16 void consume(int n) 17 { 18 for (int i = 0; i < n; ++i) { 19 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 20 cv.wait(lck, shipment_available); 21 std::cout << cargo << ' '; 22 cargo = 0; 23 } 24 } 25 26 int main() 27 { 28 std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程. 29 30 // 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品. 31 for (int i = 0; i < 10; ++i) { 32 while (shipment_available()) 33 std::this_thread::yield(); 34 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 35 cargo = i + 1; 36 cv.notify_one(); 37 } 38 39 consumer_thread.join(); 40 41 return 0; 42 }
程序执行结果如下：
concurrency ) ./ConditionVariable-wait 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
std::condition_variable::wait_for() 介绍
| unconditional (1) |
template <class Rep, class Period>
cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
|
|---|---|
| predicate (2) |
template <class Rep, class Period, class Predicate>
bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);
|
与 std::condition_variable::wait() 类似，不过 wait_for 可以指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间 rel_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_for 返回，剩下的处理步骤和 wait() 类似。
另外，wait_for 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_for 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));
请看下面的例子（参考），下面的例子中，主线程等待 th 线程输入一个值，然后将 th 线程从终端接收的值打印出来，在 th 线程接受到值之前，主线程一直等待，每个一秒超时一次，并打印一个 "."：
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread 3 #include <chrono> // std::chrono::seconds 4 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 5 #include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_status 6 7 std::condition_variable cv; 8 9 int value; 10 11 void do_read_value() 12 { 13 std::cin >> value; 14 cv.notify_one(); 15 } 16 17 int main () 18 { 19 std::cout << "Please, enter an integer (I'll be printing dots): "; 20 std::thread th(do_read_value); 21 22 std::mutex mtx; 23 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); 24 while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) { 25 std::cout << '.'; 26 std::cout.flush(); 27 } 28 29 std::cout << "You entered: " << value << ' '; 30 31 th.join(); 32 return 0; 33 }
std::condition_variable::wait_until 介绍
| unconditional (1) |
template <class Clock, class Duration>
cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
|
|---|---|
| predicate (2) |
template <class Clock, class Duration, class Predicate>
bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck,
const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time,
Predicate pred);
|
与 std::condition_variable::wait_for 类似，但是 wait_until 可以指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点 abs_time 超时之前，该线程都会处于阻塞状态。而一旦超时或者收到了其他线程的通知，wait_until 返回，剩下的处理步骤和 wait_until() 类似。
另外，wait_until 的重载版本（predicte(2)）的最后一个参数 pred 表示 wait_until 的预测条件，只有当 pred 条件为 false 时调用 wait() 才会阻塞当前线程，并且在收到其他线程的通知后只有当 pred 为 true 时才会被解除阻塞，因此相当于如下代码：
1 while (!pred()) 2 if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout) 3 return pred(); 4 return true;
std::condition_variable::notify_one() 介绍
唤醒某个等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做，如果同时存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。
请看下例（参考）：
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread 3 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 4 #include <condition_variable> // std::condition_variable 5 6 std::mutex mtx; 7 std::condition_variable cv; 8 9 int cargo = 0; // shared value by producers and consumers 10 11 void consumer() 12 { 13 std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); 14 while (cargo == 0) 15 cv.wait(lck); 16 std::cout << cargo << ' '; 17 cargo = 0; 18 } 19 20 void producer(int id) 21 { 22 std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); 23 cargo = id; 24 cv.notify_one(); 25 } 26 27 int main() 28 { 29 std::thread consumers[10], producers[10]; 30 31 // spawn 10 consumers and 10 producers: 32 for (int i = 0; i < 10; ++i) { 33 consumers[i] = std::thread(consumer); 34 producers[i] = std::thread(producer, i + 1); 35 } 36 37 // join them back: 38 for (int i = 0; i < 10; ++i) { 39 producers[i].join(); 40 consumers[i].join(); 41 } 42 43 return 0; 44 }
std::condition_variable::notify_all() 介绍
唤醒所有的等待(wait)线程。如果当前没有等待线程，则该函数什么也不做。请看下面的例子：
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread 3 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 4 #include <condition_variable> // std::condition_variable 5 6 std::mutex mtx; // 全局互斥锁. 7 std::condition_variable cv; // 全局条件变量. 8 bool ready = false; // 全局标志位. 9 10 void do_print_id(int id) 11 { 12 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 13 while (!ready) // 如果标志位不为 true, 则等待... 14 cv.wait(lck); // 当前线程被阻塞, 当全局标志位变为 true 之后, 15 // 线程被唤醒, 继续往下执行打印线程编号id. 16 std::cout << "thread " << id << ' '; 17 } 18 19 void go() 20 { 21 std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); 22 ready = true; // 设置全局标志位为 true. 23 cv.notify_all(); // 唤醒所有线程. 24 } 25 26 int main() 27 { 28 std::thread threads[10]; 29 // spawn 10 threads: 30 for (int i = 0; i < 10; ++i) 31 threads[i] = std::thread(do_print_id, i); 32 33 std::cout << "10 threads ready to race... "; 34 go(); // go! 35 36 for (auto & th:threads) 37 th.join(); 38 39 return 0; 40 }
std::condition_variable_any 介绍
与 std::condition_variable 类似，只不过 std::condition_variable_any 的 wait 函数可以接受任何 lockable 参数，而 std::condition_variable 只能接受 std::unique_lock<std::mutex> 类型的参数，除此以外，和 std::condition_variable 几乎完全一样。
std::cv_status 枚举类型介绍
| cv_status::no_timeout | wait_for 或者 wait_until 没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知。 |
| cv_status::timeout | wait_for 或者 wait_until 超时。 |
std::notify_all_at_thread_exit
函数原型为：
void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock<mutex> lck);
当调用该函数的线程退出时，所有在 cond 条件变量上等待的线程都会收到通知。请看下例（参考）：
1 #include <iostream> // std::cout 2 #include <thread> // std::thread 3 #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock 4 #include <condition_variable> // std::condition_variable 5 6 std::mutex mtx; 7 std::condition_variable cv; 8 bool ready = false; 9 10 void print_id (int id) { 11 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); 12 while (!ready) cv.wait(lck); 13 // ... 14 std::cout << "thread " << id << ' '; 15 } 16 17 void go() { 18 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); 19 std::notify_all_at_thread_exit(cv,std::move(lck)); 20 ready = true; 21 } 22 23 int main () 24 { 25 std::thread threads[10]; 26 // spawn 10 threads: 27 for (int i=0; i<10; ++i) 28 threads[i] = std::thread(print_id,i); 29 std::cout << "10 threads ready to race... "; 30 31 std::thread(go).detach(); // go! 32 33 for (auto& th : threads) th.join(); 34 35 return 0; 36 }
好了，到此为止，<condition_variable> 头文件中的两个条件变量类（std::condition_variable 和 std::condition_variable_any）、枚举类型（std::cv_status）、以及辅助函数（std::notify_all_at_thread_exit()）都已经介绍完了。从下一章开始我会逐步开始介绍 <atomic> 头文件中的内容，后续的文章还会介绍 C++11 的内存模型，涉及内容稍微底层一些，希望大家能够保持兴趣，学完 C++11 并发编程，如果你发现本文中的错误，也请给我反馈 ;-)。