C语言条件变量详解（多线程同步中的关键工具：pthread_cond_wait 使用教程）

什么是条件变量？

条件变量是 POSIX 线程（pthread）库提供的一种同步原语，主要用于让一个或多个线程等待某个特定条件变为真。当条件不满足时，线程会进入阻塞状态；当其他线程修改了共享数据并使条件成立后，可以通过发送信号唤醒等待的线程。

核心函数包括：

• pthread_cond_wait()：阻塞当前线程，直到被唤醒。
• pthread_cond_signal()：唤醒一个等待该条件变量的线程。
• pthread_cond_broadcast()：唤醒所有等待该条件变量的线程。

为什么需要条件变量？

假设你有两个线程：一个生产者（Producer）和一个消费者（Consumer）。消费者必须等待生产者准备好数据后才能处理。如果没有条件变量，消费者只能不断轮询检查数据是否就绪，这会浪费大量 CPU 资源。

而使用 条件变量，消费者可以在数据未就绪时“睡着”，直到生产者通知它：“数据好了，可以处理了！” 这就是高效的 多线程同步。

条件变量的基本使用步骤

1. 定义一个 pthread_cond_t 类型的条件变量。
2. 定义一个 pthread_mutex_t 互斥锁（必须配合使用）。
3. 在等待线程中：
   • 先加锁（pthread_mutex_lock）
   • 检查条件是否满足（通常用 while 循环）
   • 若不满足，调用 pthread_cond_wait(&cond, &mutex)
   • 被唤醒后继续执行，最后解锁
4. 在通知线程中：
   • 加锁
   • 修改共享数据
   • 调用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast()
   • 解锁

完整示例：生产者-消费者模型

下面是一个使用 pthread_cond_wait 实现的简单生产者-消费者程序：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>  // for sleep// 全局变量int data_ready = 0;pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;// 消费者线程函数void* consumer(void* arg) {    pthread_mutex_lock(&mutex);        // 使用 while 而不是 if，防止虚假唤醒    while (data_ready == 0) {        printf("消费者：等待数据...\n");        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 自动释放 mutex，并阻塞    }        printf("消费者：收到数据！开始处理...\n");    // 处理数据...        pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}// 生产者线程函数void* producer(void* arg) {    sleep(2);  // 模拟耗时操作        pthread_mutex_lock(&mutex);    data_ready = 1;    printf("生产者：数据已准备好！\n");    pthread_cond_signal(&cond);  // 唤醒一个等待线程    pthread_mutex_unlock(&mutex);        return NULL;}int main() {    pthread_t prod_thread, cons_thread;        // 创建线程    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);        // 等待线程结束    pthread_join(cons_thread, NULL);    pthread_join(prod_thread, NULL);        // 销毁条件变量和互斥锁（可选，程序结束前）    pthread_cond_destroy(&cond);    pthread_mutex_destroy(&mutex);        printf("程序结束。\n");    return 0;}  

关键注意事项

• 必须配合互斥锁使用：条件变量本身不提供互斥，必须与 mutex 一起保护共享数据。
• 使用 while 循环检查条件：因为存在“虚假唤醒”（spurious wakeup）的可能，不能只用 if 判断。
• pthread_cond_wait 会自动释放锁：当线程进入等待时，它会原子地释放 mutex 并阻塞；被唤醒后，会重新获取 mutex 再返回。
• signal 和 broadcast 的区别：前者只唤醒一个线程，后者唤醒所有。根据场景选择。

总结

通过本教程，你已经掌握了 C语言条件变量 的核心用法。它是实现高效 多线程同步 的关键工具，尤其适用于“等待-通知”类场景。记住：pthread_cond_wait 必须与互斥锁配合，并始终在 while 循环中检查条件。

希望这篇 条件变量使用教程 能帮助你写出更安全、高效的多线程 C 程序！