使用條件變量的坑你知道嗎
想必大家開發(fā)過(guò)程中都會(huì)用到多線程，用到多線程基本上都會(huì)用到條件變量，你理解的條件變量只是簡(jiǎn)單的wait和notify嗎，最近工作中看同事也都只是簡(jiǎn)單的使用wait和notify，導(dǎo)致項(xiàng)目出現(xiàn)bug卻不知如何fix bug，其實(shí)這里面還是有一些坑的，程序喵這里總結(jié)給大家。
1. 什么是條件變量?
條件變量是多線程程序中用來(lái)實(shí)現(xiàn)等待和喚醒邏輯常用的方法。通常有wait和notify兩個(gè)動(dòng)作，wait用于阻塞掛起線程A，直到另一個(gè)線程B通過(guò)通過(guò)notify喚醒線程A，喚醒后線程A會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。
條件變量在多線程中很常用，在有名的生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題中，消費(fèi)者如何知道生成者是否生產(chǎn)出了可以消費(fèi)的產(chǎn)品，通過(guò)while循環(huán)不停的去判斷是否有可消費(fèi)的產(chǎn)品?眾所周知，死循環(huán)極其消耗CPU性能，所以需要使用條件變量來(lái)阻塞線程，降低CPU占用率。
2. 條件變量的使用
拿生產(chǎn)者和消費(fèi)者問(wèn)題舉例，看下面這段代碼：
- std::mutex mutex;
- std::condition_variable cv;
- std::vector<int> vec;
- void Consume() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- cv.wait(lock);
- std::cout << "consume " << vec.size() << "\n";
- }
- void Produce() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- vec.push_back(1);
- cv.notify_all();
- std::cout << "produce \n";
- }
- int main() {
- std::thread t(Consume);
- t.detach();
- Produce();
- return 0;
- }
本意是消費(fèi)者線程阻塞，等待生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)后去通知消費(fèi)者線程，這樣消費(fèi)者線程就可以拿到數(shù)據(jù)去消費(fèi)。
但這里有個(gè)問(wèn)題：
如果先執(zhí)行的Produce()，后執(zhí)行的Consume()，生產(chǎn)者提前生產(chǎn)出了數(shù)據(jù)，去通知消費(fèi)者，但是此時(shí)消費(fèi)者線程如果還沒(méi)有執(zhí)行到wait語(yǔ)句，即線程還沒(méi)有處于掛起等待狀態(tài)，線程沒(méi)有等待此條件變量上，那通知的信號(hào)就丟失了，后面Consume()中才執(zhí)行wait處于等待狀態(tài)，但此時(shí)生產(chǎn)者已經(jīng)不會(huì)再觸發(fā)notify，那消費(fèi)者線程就會(huì)始終阻塞下去，出現(xiàn)bug。
如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?可以附加一個(gè)判斷條件，就可以解決這種信號(hào)丟失問(wèn)題，見(jiàn)代碼：
- std::mutex mutex;
- std::condition_variable cv;
- std::vector<int> vec;
- void Consumer() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- if (vec.empty()) { // 加入此判斷條件
- cv.wait(lock);
- }
- std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
- }
- void Produce() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- vec.push_back(1);
- cv.notify_all();
- std::cout << "produce \n";
- }
- int main() {
- std::thread t(Consumer);
- t.detach();
- Produce();
- return 0;
- }
通過(guò)增加附加條件可以解決信號(hào)丟失的問(wèn)題，但這里還有個(gè)地方需要注意，消費(fèi)者線程處于wait阻塞狀態(tài)時(shí)，即使沒(méi)有調(diào)用notify，操作系統(tǒng)也會(huì)有一些概率會(huì)喚醒處于阻塞的線程，使其繼續(xù)執(zhí)行下去，這就是虛假喚醒問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)了虛假喚醒后，消費(fèi)者線程繼續(xù)執(zhí)行，還是沒(méi)有可以消費(fèi)的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了bug。
那怎么解決虛假喚醒的問(wèn)題呢，可以在線程由阻塞狀態(tài)被喚醒后繼續(xù)判斷附加條件，看是否滿足喚醒的條件，如果滿足則繼續(xù)執(zhí)行，如果不滿足，則繼續(xù)去等待，體現(xiàn)在代碼中，即將if判斷改為while循環(huán)判斷，見(jiàn)代碼：
- std::mutex mutex;
- std::condition_variable cv;
- std::vector<int> vec;
- void Consumer() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- while (vec.empty()) { // 將if改為while
- cv.wait(lock);
- }
- std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
- }
- void Produce() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- vec.push_back(1);
- cv.notify_all();
- std::cout << "produce \n";
- }
- int main() {
- std::thread t(Consumer);
- t.detach();
- Produce();
- return 0;
- }
看到這里相信你已經(jīng)明白條件變量的使用啦，需要使用while循環(huán)附加判斷條件來(lái)解決條件變量的信號(hào)丟失和虛假喚醒問(wèn)題。
3. 有沒(méi)有更簡(jiǎn)單的“避坑”方式
難道我們每次都必須要使用while循環(huán)和附加條件來(lái)操作條件變量嗎?這豈不是很麻煩?
NO!
在C++中其實(shí)有更好的封裝，只需要調(diào)用wait函數(shù)時(shí)，在參數(shù)中直接添加附加條件就好了，內(nèi)部已經(jīng)做好了while循環(huán)判斷，直接使用即可，見(jiàn)代碼：
- std::mutex mutex;
- std::condition_variable cv;
- std::vector<int> vec;
- void Consumer() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- cv.wait(lock, [&](){ return !vec.empty(); }); // 這里可以直接使用C++的封裝
- std::cout << "consumer " << vec.size() << "\n";
- }
- void Produce() {
- std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
- vec.push_back(1);
- cv.notify_all();
- std::cout << "produce \n";
- }
- int main() {
- std::thread t(Consumer);
- t.detach();
- Produce();
- return 0;
- }
但在C語(yǔ)言中就沒(méi)辦法啦，大家只能自己做一層封裝啦。
4. 為什么條件變量需要和鎖配合使用?
為什么叫條件變量呢?
因?yàn)閮?nèi)部是通過(guò)判斷及修改某個(gè)全局變量來(lái)決定線程的阻塞與喚醒，多線程操作同一個(gè)變量肯定需要加鎖來(lái)使得線程安全。同時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的wait函數(shù)調(diào)用內(nèi)部會(huì)很復(fù)雜的，有可能線程A調(diào)用了wait函數(shù)但是還沒(méi)有進(jìn)入到wait阻塞等待前，另一個(gè)線程B在此時(shí)卻調(diào)用了notify函數(shù)，此時(shí)nofity的信號(hào)就丟失啦，如果加了鎖，線程B必須等待線程A釋放了鎖并進(jìn)入了等待狀態(tài)后才可以調(diào)用notify，繼而防止信號(hào)丟失。
關(guān)于條件變量就介紹到這里，希望大家能有所收獲，平時(shí)使用過(guò)程中可以避掉條件變量的坑。
