操作系统条件变量
在并发编程中，条件变量（Condition Variable）是一种用于线程同步的机制。它允许线程在某些条件不满足时进入等待状态，直到其他线程通知它条件已经满足。条件变量通常与互斥锁（Mutex）一起使用，以确保线程安全。
什么是条件变量？
条件变量是一种同步原语，用于在多线程环境中协调线程的执行。它允许线程在某个条件不满足时挂起（等待），直到另一个线程通知它条件已经满足。条件变量的核心操作包括：
- 等待（Wait）：线程调用等待操作时，会释放与之关联的互斥锁，并进入等待状态，直到被其他线程唤醒。
- 通知（Signal）：线程调用通知操作时，会唤醒一个正在等待的线程。
- 广播（Broadcast）：线程调用广播操作时，会唤醒所有正在等待的线程。
条件变量的基本用法
条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保线程安全。以下是一个简单的示例，展示了如何使用条件变量来实现线程间的同步。
c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;
void* producer(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
ready = 1;
printf("Producer: Data is ready.\n");
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
void* consumer(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (ready == 0) {
printf("Consumer: Waiting for data...\n");
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
printf("Consumer: Data received.\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main() {
pthread_t producer_thread, consumer_thread;
pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(producer_thread, NULL);
pthread_join(consumer_thread, NULL);
return 0;
}
代码解释
- 互斥锁和条件变量初始化：我们使用
pthread_mutex_init和pthread_cond_init初始化互斥锁和条件变量。 - 生产者线程：生产者线程将
ready标志设置为 1，并调用pthread_cond_signal通知消费者线程。 - 消费者线程：消费者线程在
ready为 0 时调用pthread_cond_wait进入等待状态，直到生产者线程通知它。
输出结果
Consumer: Waiting for data...
Producer: Data is ready.
Consumer: Data received.
条件变量的实际应用场景
条件变量在现实中的应用非常广泛，尤其是在需要线程间协调的场景中。以下是一些常见的应用场景：
- 生产者-消费者问题：生产者线程生成数据并将其放入缓冲区，消费者线程从缓冲区中取出数据。当缓冲区为空时，消费者线程需要等待，直到生产者线程通知它有新数据可用。
- 线程池：在线程池中，工作线程需要等待任务队列中有新任务时被唤醒。
- 事件驱动编程：在事件驱动编程中，条件变量可以用于等待特定事件的发生。
总结
条件变量是并发编程中非常重要的同步机制，它允许线程在条件不满足时进入等待状态，并在条件满足时被唤醒。通过合理使用条件变量，可以有效地协调多个线程的执行，避免竞争条件和死锁。
附加资源与练习
- 练习：尝试修改上面的代码，使其支持多个消费者线程，并确保所有消费者线程都能正确接收到数据。
- 进一步阅读：阅读 POSIX 线程（pthread）库的官方文档，了解更多关于条件变量和互斥锁的高级用法。
提示
在使用条件变量时，务必确保在调用 pthread_cond_wait 之前已经持有互斥锁，并且在等待返回后重新检查条件，以避免虚假唤醒。