【多线程】五、线程同步 条件变量

Ⅰ. 线程同步概念

​ 还记得我们在学线程互斥的时候写的抢票系统代码吗，虽说我们通过使用互斥量来防止多线程访问时候的不安全问题，但是还有一个问题我们还没提及，就是如果当我们执行完临界区代码的时候，如果不进行 usleep() 的话，会发现执行结果全是单个线程在抢着票，而这就涉及到了线程同步与竞争条件问题！下面我们一一来了解一下它们！

• 线程同步：在保证数据安全的前提下，让多个线程能够按照一定的顺序访问临界资源，从而有效 避免饥饿问题，叫做线程同步。
• 竞态条件：因为时序问题，当多个线程访问同一个共享变量时，最终的结果取决于线程执行的顺序，导致结果不可预测。

​ 为了解决这些问题，可以使用同步机制来协调线程之间的访问。常用的同步机制有：

1. 互斥锁（Mutex）：在进入临界区前获取锁，执行完临界区代码后释放锁，保证同一时间只有一个线程可以访问临界区。
2. 屏障（Barrier）：多个线程需要等待其他线程执行完特定代码后再继续执行，可以使用屏障来同步线程的执行。
3. 信号量（Semaphore）：控制对共享资源的访问数量，当信号量为 0 时，线程需要等待；当信号量为 1 时，线程可以访问共享资源。
4. 条件变量（Condition Variable）：当某个条件不满足时，线程进入等待状态，直到其他线程发出特定信号或事件满足条件后，才会唤醒等待线程。

​ 之前我们通过了互斥锁和屏障（解锁完休眠了一会）在一定程度上解决了这个问题，下面我们来学习条件变量和信号量！

Ⅱ. 条件变量

一、条件变量的概念

​ 条件变量（Condition Variable）是一种同步机制，通常与互斥锁（Mutex）结合使用，用于线程间的等待和唤醒。它提供了一个让线程进入等待状态并释放锁的机制：

• 当某个条件满足时，唤醒等待线程继续执行。
• 当某个条件不满足时，线程进入等待状态，直到其他线程发出特定信号或事件满足条件后，才会唤醒等待线程。

​

​ 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了，一直阻塞着。例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

​ 条件变量可以分为两种类型：一种是用于通知单个线程的条件变量（signal），另一种是用于通知多个线程的条件变量（broadcast）。使用条件变量的基本流程如下：

1. 初始化：使用 pthread_cond_init() 函数初始化条件变量。
2. 等待：使用 pthread_cond_wait() 函数让线程进入等待状态并释放互斥锁，直到其他线程调用条件变量的通知函数将其唤醒。
3. 通知单个线程：使用 pthread_cond_signal() 函数唤醒等待队列中的一个线程，通常是等待时间最长的线程。
4. 通知多个线程：使用 pthread_cond_broadcast() 函数唤醒等待队列中的所有线程。
5. 销毁：使用 pthread_cond_destroy() 函数销毁条件变量。

​ 接下来我们先学学条件变量的这些接口，然后通过生产者消费者模型来深入理解条件变量的用处！

二、条件变量的定义

​ 定义条件变量对象的代码如下：

pthread_cond_t condition;

​ pthread_cond_t 数据类型声明如下：

// come from /usr/include/bits/pthreadtypes.h
/* Data structure for conditional variable handling. The structure of the attribute type is not exposed on purpose. */
typedef union
{struct{int __lock; // 用于实现对条件变量的互斥访问unsigned int __futex; // 一个底层的系统调用，用于实现线程等待和唤醒，它是一个用户空间和内核空间之间的交互接口，用于实现线程的同步和通信__extension__ unsigned long long int __total_seq;  // 记录条件变量被唤醒的次数，包括所有线程的唤醒次数__extension__ unsigned long long int __wakeup_seq; // 记录条件变量被唤醒的次数__extension__ unsigned long long int __woken_seq;  // 最后一次被唤醒的时间戳void *__mutex; // 与条件变量相关联的互斥锁的指针/地址unsigned int __nwaiters;     // 记录当前等待的线程数unsigned int __broadcast_seq; // 记录最后一次broadcast的时间戳} __data;char __size[__SIZEOF_PTHREAD_COND_T]; // 指定条件变量的大小__extension__ long long int __align; // 指定该类型的对齐方式
} pthread_cond_t;

三、条件变量的使用

① pthread_cond_init() 初始化

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);// 功能：动态初始化条件变量
// 返回值：成功返回0，失败返回错误编号
// 参数：
//     cond：线程要等待的目标条件变量
//     attr：条件变量属性，默认设为nullptr即可

​ 上面那种方法是通过动态初始化条件变量，其实我们还可以通过静态的方式来初始化条件变量，并且这种方式不用进行条件变量的销毁！

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond