理解 C++ 中的條件變量（Condition Variable）

在多線程編程中，我們常常需要一個線程等待某個條件的變化，比如等待數據的生成或某個標志位的設置。如果沒有條件變量（condition_variable），線程可能會使用忙等待（不斷檢查條件是否滿足），這會導致 CPU 資源的浪費。條件變量提供了一種高效的等待機制，使線程在等待條件時進入休眠狀態，不占用 CPU 資源，當條件滿足時被喚醒繼續執行。

條件變量的基本概念

條件變量允許一個或多個線程同時阻塞。一般情況下，生產者線程利用支持 std::mutex 的 std::lock_guard 或 std::unique_lock 修改共享變量后，并通知條件變量。消費者線程獲取同一個 std::mutex（由 std::unique_lock 持有），并調用 std::condition_variable 的 wait、wait_for 或 wait_until。wait 操作會釋放互斥量，同時掛起該線程。當條件變量收到通知、超時到期或發生虛假喚醒時，線程被喚醒，互斥量也會被原子地重新獲取。如果是虛假喚醒，線程應該檢查條件并繼續等待，以保證業務的正確性。

注意事項

1. 使用 unique_lock 而不是 lock_guard：
   在等待時，管理 mutex 使用的是 unique_lock 而不是 lock_guard，因為等待時是不持有鎖的。wait 函數會調用 mutex 的 unlock 函數，之后再睡眠，直到被喚醒后才持有鎖。lock_guard 沒有 lock/unlock 接口，所以需要用 unique_lock。

2. 偽喚醒：
   在對 wait 函數的調用中，條件變量可能會對提供的條件檢查任意多次。這發生在互斥元被鎖定的情況下，并且當測試條件返回 true 時就會立即返回。當等待線程重新獲取互斥元并檢測條件時，如果它并非直接響應另一個線程的通知，這就是所謂的偽喚醒（spurious wake）。偽喚醒的次數和頻率根據定義是不確定的。

3. 通知丟失：
   如果發送方在接收方進入等待狀態之前發送通知，則通知會丟失。

使用場景

1. 生產者-消費者問題：
   生產者線程生成數據并通知消費者線程處理數據。

2. 任務隊列：
   多個線程從一個任務隊列中獲取任務并處理，當隊列為空時，線程進入等待狀態，直到有新的任務被添加。

3. 事件等待：
   一個或多個線程等待某個事件的發生，當事件發生時，喚醒等待的線程進行處理。

std::condition_variable 和 std::condition_variable_any 的區別

1. 互斥鎖類型：

   • std::condition_variable 只與 std::unique_lock<std::mutex> 類型的鎖配合使用。這意味著它只能與 std::mutex 類型的互斥鎖一起使用。
   • std::condition_variable_any 可以與任何符合基本鎖（BasicLockable）和鎖互換（Lockable）概念的鎖對象配合使用。它不僅可以與 std::mutex 配合，還可以與其他類型的鎖（例如 std::shared_mutex、用戶定義的互斥鎖等）一起使用。

2. 靈活性：

   • std::condition_variable 更加專用，提供了一種高效的實現，因為它只支持 std::unique_lock<std::mutex>。
   • std::condition_variable_any 更加通用，提供了更大的靈活性，可以與任何符合要求的鎖一起使用，因此在某些情況下更為便利。

為什么要有 std::condition_variable_any？

std::condition_variable_any 的引入是為了提供更大的靈活性，允許開發者使用不同類型的鎖來實現同步需求。在某些情況下，開發者可能需要使用自定義的鎖類型或者 std::shared_mutex 這樣的共享鎖，這時 std::condition_variable 就無法滿足需求，而 std::condition_variable_any 則可以適應這些情況。

代碼示例

以下是一個使用條件變量的代碼示例，演示了如何在 C++ 中使用 std::condition_variable 進行線程同步：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <chrono>std::mutex read_mutex_;
std::condition_variable condition_variable_;
bool readFlag_ = false;void do_print_id(int id) {std::unique_lock<std::mutex> uniqueLock(read_mutex_);/*** todo -* 只有當 __pred 條件為 false 時調用 wait() 才會阻塞當前線程，并且在收到其他線程的通知后只有當 __pred 為 true 時才會被解除阻塞* 1. 線程第一次執行到這里時，會執行表達式方法。判斷到 ready 為false。則當前線程阻塞在此，同時解鎖互斥量，不影響其他線程獲取鎖* 2. 當線程被喚醒，首先就是不斷的嘗試重新獲取并加鎖互斥量，若獲取不到鎖就卡在這里反復嘗試加鎖* 3. 若獲取到了鎖，就執行表達式方法，然后繼續往下執行** 函數原型：void condition_variable::wait(unique_lock<mutex>& __lk, _Predicate __pred)*/condition_variable_.wait(uniqueLock, [&] {std::cout << "condition_variable wait.id: " << id << std::endl;return readFlag_;});std::cout << "do_print_id -> thread : " << id << std::endl;
}class QConditionVariable {
public:void task1() {std::thread threads[10];for (int i = 0; i < 10; ++i) {threads[i] = std::thread(do_print_id, i);}for (std::thread &item : threads) {item.detach();}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));notify();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));std::cout << "task1--end" << std::endl;}void task2() {std::unique_lock<std::mutex> uniqueLock(read_mutex_);std::cv_status cvStatus = condition_variable_.wait_for(uniqueLock, std::chrono::seconds(5));if (cvStatus == std::cv_status::no_timeout) {//表示條件變量等待成功（條件滿足或被通知）。} else if (cvStatus == std::cv_status::timeout) {//表示條件變量等待超時。}}void task3() {std::unique_lock<std::mutex> uniqueLock(read_mutex_);/*** wait_for: 等待特定的時間段，直到被通知或時間到期。* 執行到這里時，當前線程將進入等待狀態，等待最多1秒鐘：*  如果在這1秒鐘內，條件變量 condition_variable_ 被其他線程通知（通常通過 notify_one 或 notify_all），wait_for 會立即返回 std::cv_status::no_timeout，并且 while 循環會終止。*  如果這1秒鐘內沒有收到通知，wait_for 返回 std::cv_status::timeout，循環條件為真，線程繼續執行循環體內的代碼（這里是空的，沒有其他操作），然后再次進入等待。*/while (condition_variable_.wait_for(uniqueLock, std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) {}}private:void notify() {std::cout << "start----notify" << std::endl;std::unique_lock<std::mutex> uniqueLockNotify(read_mutex_);readFlag_ = true;condition_variable_.notify_all();std::cout << "end----notify" << std::endl;}
};

在這個示例中，我們創建了一個簡單的類 QConditionVariable，包含了兩個任務 task1 和 task2。task1 生成 10 個線程，每個線程都會調用 do_print_id 函數，等待條件變量 condition_variable_ 的通知。task2 則是一個等待操作示例，等待特定時間段或直到被通知。

通過條件變量，我們可以有效地管理多線程程序中的同步和通信，避免忙等待，提高程序的執行效率。