C++条件变量详解（手把手教你掌握多线程同步利器）

什么是条件变量？

条件变量是一种线程同步机制，允许一个或多个线程等待某个特定条件成立，而另一个线程在条件满足时通知等待的线程继续执行。它通常与互斥锁（std::mutex）配合使用，以避免竞态条件（race condition）。

在 C++11 及以后的标准中，条件变量由 <condition_variable> 头文件提供，主要包含两个类：

• std::condition_variable：仅支持与 std::unique_lock<std::mutex> 一起使用，性能更优。
• std::condition_variable_any：可与任意满足基本锁要求的类型配合使用，但开销略大。

为什么需要条件变量？

假设你有两个线程：一个生产者线程负责生成数据，一个消费者线程负责处理数据。消费者不能在没有数据时盲目轮询（浪费 CPU），而应“等待”直到有数据可用。这时，多线程同步 就显得尤为重要，而条件变量正是实现这种“等待-通知”机制的理想选择。

基本使用方法

使用 std::condition_variable 的典型步骤如下：

1. 定义一个互斥锁（std::mutex）和一个条件变量（std::condition_variable）。
2. 等待线程获取锁，然后调用 wait() 方法，该方法会自动释放锁并阻塞，直到被通知。
3. 通知线程在修改共享状态后，调用 notify_one() 或 notify_all() 唤醒等待线程。

关键函数说明：

• wait(unique_lock& lock)：阻塞当前线程，直到被通知。
• wait(unique_lock& lock, Predicate pred)：带谓词的等待，可避免虚假唤醒（推荐使用）。
• notify_one()：唤醒一个等待的线程。
• notify_all()：唤醒所有等待的线程。

完整代码示例

下面是一个经典的“生产者-消费者”模型，演示如何使用 condition_variable使用教程 中的核心技巧：

#include <iostream>#include <thread>#include <mutex>#include <condition_variable>#include <queue>#include <chrono>std::queue<int> data_queue;std::mutex mtx;std::condition_variable cv;bool finished = false;void producer() {    for (int i = 0; i < 5; ++i) {        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));        {            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);            data_queue.push(i);            std::cout << "Produced: " << i << std::endl;        }        cv.notify_one(); // 通知消费者    }    {        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);        finished = true;    }    cv.notify_one();}void consumer() {    while (true) {        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);        // 使用带谓词的 wait，防止虚假唤醒        cv.wait(lock, []() { return !data_queue.empty() || finished; });        if (!data_queue.empty()) {            int value = data_queue.front();            data_queue.pop();            std::cout << "Consumed: " << value << std::endl;            lock.unlock();        } else if (finished) {            break;        }    }}int main() {    std::thread t1(producer);    std::thread t2(consumer);    t1.join();    t2.join();    std::cout << "All done!" << std::endl;    return 0;}

注意事项与最佳实践

• 始终使用带谓词的 wait()：避免因操作系统调度导致的“虚假唤醒”（spurious wakeup）。
• 先修改状态，再通知：确保在持有锁的情况下修改共享数据，然后再调用 notify，以保证一致性。
• 不要在持有锁时执行耗时操作：这会阻塞其他线程获取锁，降低并发性能。
• 合理选择 notify_one 还是 notify_all：若只有一个线程需要被唤醒，用 notify_one 更高效。

总结

通过本教程，你应该已经掌握了 C++条件变量 的基本原理和使用方法。它是 C++并发编程 中不可或缺的同步工具，能有效协调多线程之间的执行顺序。记住：正确使用互斥锁 + 条件变量 + 谓词，是编写安全、高效多线程程序的关键。

希望这篇 condition_variable使用教程 能帮助你迈出多线程开发的第一步！如果你觉得有用，欢迎分享给更多正在学习 多线程同步 的朋友。