C语言中如何实现11种并行编程技术并详细说明条件变量(condition_variable)的用法？

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condition_variable 头文件主要包含与类和函数相关的条件变量相关变量。包括相关类：std::condition_variable 和 std::condition_variable_any，以及枚举类型 std::cv_status。此外，还包含函数 std::notify_all_at_thread。

<condition_variable >头文件主要包含有类和函数相关的条件变量。

包括相关类std::condition_variable和std::condition_variable_any，还有枚举类型std::cv_status。另外还包含函数std::notify_all_at_thread_exit()，以下分别介绍一下以上几种类型。

std::condition_variable 类介绍

std::condition_variable是条件变量，很多其它有关条件变量的定义參考维基百科。Linux下使用Pthread库中的pthread_cond_*()函数提供了与条件变量相关的功能，Windows则參考MSDN。

当std::condition_variable对象的某个wait函数被调用的时候，它使用std::unique_lock(通过std::mutex) 来锁住当前线程。

当前线程会一直被堵塞。直到另外一个线程在同样的std::condition_variable对象上调用了notification函数来唤醒当前线程。

std::condition_variable对象通常使用std::unique_lock<std::mutex>来等待，假设须要使用另外的lockable类型，能够使用std::condition_variable_any类。本文后面会讲到std::condition_variable_any的使用方法。

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable std::mutex mtx; // 全局相互排斥锁. std::condition_variable cv; // 全局条件变量. bool ready = false; // 全局标志位. void do_print_id(int id) { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); while (!ready) // 假设标志位不为 true, 则等待... cv.wait(lck); // 当前线程被堵塞, 当全局标志位变为 true 之后, // 线程被唤醒, 继续往下运行打印线程编号id. std::cout << "thread " << id << ‘\n‘; } void go() { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); ready = true; // 设置全局标志位为 true. cv.notify_all(); // 唤醒全部线程. } int main() { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i = 0; i < 10; ++i) threads[i] = std::thread(do_print_id, i); std::cout << "10 threads ready to race...\n"; go(); // go! for (auto & th:threads) th.join(); return 0; }

结果：

10 threads ready to race... thread 1 thread 0 thread 2 thread 3 thread 4 thread 5 thread 6 thread 7 thread 8 thread 9

std::condition_variable的拷贝构造函数被禁用，仅仅提供了默认构造函数。

看看std::condition_variable的各个成员函数

std::condition_variable::wait()介绍:

std::condition_variable提供了两种wait()函数。

void wait (unique_lock<mutex>& lck); template <class Predicate> void wait (unique_lock<mutex>& lck, Predicate pred);

当前线程调用wait()后将被堵塞(此时当前线程应该获得了锁（mutex），最好还是设获得锁lck)，直到另外某个线程调用notify_*唤醒了当前线程。

在线程被堵塞时，该函数会自己主动调用lck.unlock()释放锁，使得其它被堵塞在锁竞争上的线程得以继续运行。另外，一旦当前线程获得通知(notified，一般是另外某个线程调用notify_*唤醒了当前线程)，wait()函数也是自己主动调用lck.lock()，使得lck的状态和wait函数被调用时同样。

在另外一种情况下（即设置了Predicate）。仅仅有当pred条件为false时调用wait()才会堵塞当前线程。而且在收到其它线程的通知后仅仅有当pred为true时才会被解除堵塞。

因此另外一种情况相似以下代码：

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread, std::this_thread::yield #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable std::mutex mtx; std::condition_variable cv; int cargo = 0; bool shipment_available() { return cargo != 0; } // 消费者线程. void consume(int n) { for (int i = 0; i < n; ++i) { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); cv.wait(lck, shipment_available); std::cout << cargo << ‘\n‘; cargo = 0; } } int main() { std::thread consumer_thread(consume, 10); // 消费者线程. // 主线程为生产者线程, 生产 10 个物品. for (int i = 0; i < 10; ++i) { while (shipment_available()) std::this_thread::yield(); std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); cargo = i + 1; cv.notify_one(); } consumer_thread.join(); return 0; }

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std::condition_variable::wait_for() 介绍

template <class Rep, class Period> cv_status wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time); template <class Rep, class Period, class Predicate> bool wait_for (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time, Predicate pred);

与std::condition_variable::wait()相似，只是wait_for能够指定一个时间段，在当前线程收到通知或者指定的时间rel_time超时之前。该线程都会处于堵塞状态。而一旦超时或者收到了其它线程的通知，wait_for返回，剩下的处理步骤和wait()相似。

另外，wait_for的重载版本号的最后一个參数pred表示wait_for的预測条件。仅仅有当pred条件为false时调用wait()才会堵塞当前线程，而且在收到其它线程的通知后仅仅有当pred为true时才会被解除堵塞，因此相当于例如以下代码：

return wait_until (lck, chrono::steady_clock::now() + rel_time, std::move(pred));

请看以下的样例（參考），以下的样例中，主线程等待th线程输入一个值。然后将th线程从终端接收的值打印出来。在th线程接受到值之前，主线程一直等待。每一个一秒超时一次，并打印一个"."：　　

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <chrono> // std::chrono::seconds #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable, std::cv_status std::condition_variable cv; int value; void do_read_value() { std::cin >> value; cv.notify_one(); } int main () { std::cout << "Please, enter an integer (I‘ll be printing dots): \n"; std::thread th(do_read_value); std::mutex mtx; std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); while (cv.wait_for(lck,std::chrono::seconds(1)) == std::cv_status::timeout) { std::cout << ‘.‘; std::cout.flush(); } std::cout << "You entered: " << value << ‘\n‘; th.join(); return 0; }

std::condition_variable::wait_until 介绍

template <class Clock, class Duration> cv_status wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time); template <class Clock, class Duration, class Predicate> bool wait_until (unique_lock<mutex>& lck, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time, Predicate pred);

与std::condition_variable::wait_for相似，可是wait_until能够指定一个时间点，在当前线程收到通知或者指定的时间点abs_time超时之前，该线程都会处于堵塞状态。而一旦超时或者收到了其它线程的通知，wait_until返回。剩下的处理步骤和wait_until()相似。

另外，wait_until的重载版本号的最后一个參数pred表示wait_until的预測条件。仅仅有当pred条件为false时调用wait()才会堵塞当前线程，而且在收到其它线程的通知后仅仅有当pred为true时才会被解除堵塞，因此相当于例如以下代码：

while (!pred()) if ( wait_until(lck,abs_time) == cv_status::timeout) return pred(); return true;

std::condition_variable::notify_one() 介绍

唤醒某个等待(wait)线程。假设当前没有等待线程，则该函数什么也不做，假设同一时候存在多个等待线程，则唤醒某个线程是不确定的(unspecified)。

请看下例（參考）：

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable std::mutex mtx; std::condition_variable cv; int cargo = 0; // shared value by producers and consumers void consumer() { std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); while (cargo == 0) cv.wait(lck); std::cout << cargo << ‘\n‘; cargo = 0; } void producer(int id) { std::unique_lock < std::mutex > lck(mtx); cargo = id; cv.notify_one(); } int main() { std::thread consumers[10], producers[10]; // spawn 10 consumers and 10 producers: for (int i = 0; i < 10; ++i) { consumers[i] = std::thread(consumer); producers[i] = std::thread(producer, i + 1); } // join them back: for (int i = 0; i < 10; ++i) { producers[i].join(); consumers[i].join(); } return 0; }

std::condition_variable::notify_all() 介绍

唤醒全部的等待(wait)线程。假设当前没有等待线程，则该函数什么也不做。请看以下的样例：

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable std::mutex mtx; // 全局相互排斥锁. std::condition_variable cv; // 全局条件变量. bool ready = false; // 全局标志位. void do_print_id(int id) { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); while (!ready) // 假设标志位不为 true, 则等待... cv.wait(lck); // 当前线程被堵塞, 当全局标志位变为 true 之后, // 线程被唤醒, 继续往下运行打印线程编号id. std::cout << "thread " << id << ‘\n‘; } void go() { std::unique_lock <std::mutex> lck(mtx); ready = true; // 设置全局标志位为 true. cv.notify_all(); // 唤醒全部线程. } int main() { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i = 0; i < 10; ++i) threads[i] = std::thread(do_print_id, i); std::cout << "10 threads ready to race...\n"; go(); // go! for (auto & th:threads) th.join(); return 0; }

std::condition_variable_any 介绍

与std::condition_variable相似。仅仅只是std::condition_variable_any的wait函数能够接受不论什么lockable參数，而std::condition_variable仅仅能接受std::unique_lock<std::mutex>类型的參数，除此以外，和std::condition_variable差点儿全然一样。

std::cv_status枚举类型介绍

cv_status::no_timeout wait_for或者wait_until没有超时，即在规定的时间段内线程收到了通知。

cv_status::timeout wait_for 或者 wait_until 超时。 std::notify_all_at_thread_exit

函数原型为：

void notify_all_at_thread_exit (condition_variable& cond, unique_lock<mutex> lck);

当调用该函数的线程退出时，全部在cond条件变量上等待的线程都会收到通知。

请看下例（參考）：

#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock #include <condition_variable> // std::condition_variable std::mutex mtx; std::condition_variable cv; bool ready = false; void print_id (int id) { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); while (!ready) cv.wait(lck); // ... std::cout << "thread " << id << ‘\n‘; } void go() { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); std::notify_all_at_thread_exit(cv,std::move(lck)); ready = true; } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_id,i); std::cout << "10 threads ready to race...\n"; std::thread(go).detach(); // go! for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }

<condition_variable>头文件里的两个条件变量类（std::condition_variable和std::condition_variable_any）、枚举类型（std::cv_status）、以及辅助函数（std::notify_all_at_thread_exit()）都已经介绍完　　

从wait函数执行流程来看下条件变量的使用方法和原理：

blog.csdn.net/liu3612162/article/details/88343266

参考链接：

www.cnblogs.com/bhlsheji/p/5035018.html

www.cnblogs.com/wangshaowei/p/9593201.html