C++多线程入门：使用条件变量

2024-04-01

字数统计: 996字 | 阅读时长≈ 4分

使用条件变量

在实际应用中使用生产者-消费者模型。
例如有一个消息队列，我们有一个消息产生线程，作为生产者；有多个读取线程，作为消费者。

对于之前的小型案例中模拟了这一过程；在读取线程中直接使用锁来和sleep来等待消息队列中产生消息，自然会由于sleep产生延时，为了减少延时改用条件变量。

生产线程使用条件，通常使用以下步骤：

准备信号变量：std::condition_variable cv
获得锁，通常为unique_lock
对消息队列进行修改
释放锁并通知读取线程，通知可以使用one或者all来通知一个或多个线程

对于读取线程，通常也有如下几个步骤：

获得共享锁
等待信号变量，等待使用wait函数，通常有默认形式和lambda表达式两种
处理消息

实例

现在提供一个写入线程和多个读取线程，使用条件变量来实现此功能

准备

先声明锁、条件变量以及一个消息队列和若干头文件

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <list>
#include <string>
#include <sstream>
#include <condition_variable>
using namespace std;

list<string> msg;
mutex mtx;
condition_variable cv;

写入线程

直接上代码：

void ThreadWrite()
{
    for(int i=0;i<50;i++){
        stringstream ss;
        ss << "msg : " << i+1;
        unique_lock<mutex> lock(mtx);
        msg.push_back(ss.str());
        lock.unlock();
        cv.notify_all();
        //cv.notify_one(); // 通知其中一个读入线程
        this_thread::sleep_for(100ms);
    }
}

cv.notify_one()用于通知一个读取线程
cv.notify_all()用于通知所有读取线程

读取线程

void ThreadRead(int ThreadId)
{
    while(true){
        unique_lock<mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock); 
        // 等待阻塞信号
        // 获取信号后，lock锁定
        // 使用lambda 只要表达式返回的true，wait就不会阻塞
        // cv.wait(lock,[ThreadId](){return !msg.empty();});
        while(!msg.empty()){
            cout << "id = " << ThreadId << " read msg : " << msg.front() << endl;
            msg.pop_front();
            this_thread::sleep_for(200ms);
        }
    }
}

启动线程

void test()
{
    thread wth(ThreadWrite);
    wth.detach();
    for(int i=0;i<3;i++){
        thread th(ThreadRead,i+1);
        th.detach();
    }
    getchar();
}

int main()
{
    test();
}

修改之前案例

之前的小型案例中并未使用条件变量，所以将该案例稍加修改，使用条件变量来处理消息

新增额外变量

使用条件变量首先要包含condition_variable头文件

在MsgServer的头文件中增加条件变量

1	std::condition_variable cv;

修改写入线程

在写入完数据后，将锁释放并通知线程

void MsgServer::SendMsg(std::string Msg)
{
	using namespace std;
	unique_lock<mutex> Lock(Mtx);
	if (CurrentLength >= MaxQueueLength) {
		return;
	}
	MsgQueue.push(Msg);
	CurrentLength++;
	Lock.unlock();
	cv.notify_one();
}

修改读取线程

// 处理最大延时
//this_thread::sleep_for(100ms);
//改用信号变量处理延时问题，产生消息后会立刻相应
//但是做线程退出时要做一些额外处理 当消息发送完成后发现没有退出，会在wait阻塞
//...
unique_lock<mutex> lock(Mtx);
cv.wait(lock);  
//...

以上是一般形式，但当写入线程写入万所有消息后读取线程会一直阻塞不会退出运行，所以要对退出条件做出一些修改：
首先要重写ThreadStop函数，在stop时发送一条通知；在wait时使用lambda表达式获取退出条件：

virtual void ThreadStop()
{
    SetExit();
    cv.notify_all();
    Wait();
}

//...
cv.wait(lock,[this](){return !MsgQueue.empty() || GetIsExit();});
//...

SetExit是额外增加的函数，用于设置bExit为true。
之后再做测试便发现写入线程写入完消息后便会自动退出。

小结

主要介绍了条件变量的使用方法和应用场景。
相比与之前的使用锁的方式，使用条件变量减少了处理消息时的延迟，但相应的也应注意线程的退出条件修改，否则会造成线程一直阻塞。

本文作者： KongXinQing
本文链接： https://13114987559.github.io/2024/04/01/note/C++多线程入门：使用条件变量/
版权声明： 本博客所有文章除特别声明外，均采用 MIT 许可协议。转载请注明出处！