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有一段時間沒碰條件變數【condition variable】，快忘了它到底是啥。大概記得，之前是用來寫底層介面，輔助實現安全的生產消費模式等等。

下面讓我們來探討一下條件變數的是非，簡單起見接下來的所有介面函數和程式碼都基於 linux C。

用途

一般資料的生產消費或者相關業務邏輯分佈在不同的執行緒中，如果他們的執行順序是有條件觸發的，那麼就需要用到條件變數了。

條件變數允許系統把條件變數所在的執行緒 A 掛起，就是說條件變數阻塞了當前執行緒的執行，直到在其它執行緒中通過相同的條件變數喚醒執行緒 A.

這有點像倆小朋友在玩你追我趕的遊戲，你不追過來，我就不動。

再比如，涉及到多執行緒的應用中，執行緒結束後資源是否會被自動回收，有賴於執行緒的屬性設定。如果需要在一個執行緒裡連線（join）另一個執行緒並獲取資訊，那麼這個執行緒會被阻塞直到另一個執行緒結束。這種連線機制需要等待執行緒結束，所以也屬於條件變數的特殊應用。

建立和銷燬

使用 pthread_cond_t 型別定義的條件變數需要使用 pthread_cond_init 初始化。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);

使用 pthread_cond_init 初始化條件變數時，可以傳入 pthread_condattr_t 型別變數指定條件變數的屬性，如果屬性是預設值可以傳入 NULL，或者直接使用宏定義 PTHREAD_COND_INITIALIZER 代替 pthread_cond_init（此時，條件變數必須是靜態變數）

static pthread_cond_t cond_variable = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

條件變數在使用完畢後應該使用 pthread_cond_destroy 釋放佔用的資源。

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

有個小細節，如果條件變數被分配線上程的棧上，該執行緒會維護一個條件變數的列表，那麼在該執行緒被終止前必須先釋放條件變數所佔用的資源（呼叫 pthread_cond_destroy），否則會產生 memory corrupted 類似的錯誤。

等待和喚醒

條件變數說到底就是執行緒之間同步機制的眾多方式中的一種，但是在使用過程中，必須搭配使用互斥鎖。

為什麼必須搭配使用互斥鎖？

基本正規化

先來看看一般的使用方式，比如，實現的資料佇列中，推入資料的介面函數

void queue_push(void *data)
{
    pthread_mutex_lock(mutex);

    // 往佇列中推入資料 data
    // ...

    pthread_cond_signal(cond_variable);

    pthread_mutex_unlock(mutex);
}

接著，提取資料的介面函數

void *queue_pop()
{
    pthread_mutex_lock(mutex);

    while (wait_condition) {
        pthread_cond_wait(cond_variable, mutex);
    }

    // 從佇列中彈出資料 data
    // ...

    pthread_mutex_unlock(mutex);
}

上面程式碼中 cond_variable 是已初始化的條件變數。mutex 同樣是經過初始化的互斥鎖，型別是 pthread_mutex_t。wait_condition 是條件表示式，布林型別，用於判斷是否進入條件變數的等待。

提取資料的函數介面程式碼中，開始判斷條件表示式之前，先佔用互斥鎖。當條件表示式為真，條件變數進入等待狀態並且釋放互斥鎖（這是原子操作），所線上程就會被掛起，直到被其它執行緒通過條件變數 cond_variable 喚醒。喚醒後，再次嘗試佔用互斥鎖，然後執行後續的資料處理（從佇列中提取資料），在資料處理完成後釋放互斥鎖。

可以看到，條件表示式的使用要素有三個：條件變數、起保護作用的鎖、僅起判斷作用的條件表示式。

效能提升

其實，如果為了同步資料，單純用鎖也是能實現的，但是會長期佔用系統資源，效率太低。比如下面把提取資料的介面函數寫成

void *queue_pop_2()
{
    pthread_mutex_lock(mutex);

    while (wait_condition) {
        sleep(1);
    }

    // 從佇列中彈出資料 data
    // ...

    pthread_mutex_unlock(mutex);
}

可見，如果僅用鎖來實現介面，在每次提取資料之前都會空轉固定的時間。如果資料佇列中已經準備好資料，那麼提取資料的操作需要等待最長可達一個週期（範例程式碼是 1 秒）。

條件變數和鎖的配合充分利用了系統的能力，大大降低效能損耗，避免長時間佔用鎖。但要注意，使用鎖不是為了保護條件變數自身，而是為了保護條件表示式的判斷，防止在判斷之後和條件變數進入等待狀態之前，其它執行緒修改條件而導致判斷失效，以及對目標資料邏輯的序列化執行（也就是同步）。

while (wait_condition) {
    pthread_cond_wait(cond_variable, mutex);
}

細看這段程式碼，發現喚醒後（也就是在條件變數退出等待和重新佔用互斥鎖之後），還要再次執行條件表示式的判斷。這是因為喚醒之後等待的條件可能會被其它執行緒變更，為了安全起見需要重新檢查條件，如果等待的條件為真，就再次進入等待狀態直到下次被喚醒。

等待

條件變數等待的方式有兩種，一種是持續等待，直到被喚醒

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

如果一直處於等待狀態，如何退出?

pthread_cond_wait 提供了執行緒取消的功能，可通過 pthread_cancel 退出指定執行緒。

另一種是條件變數進入等待後，開始計時，在計時結束後仍然未被喚醒則主動退出等待並返回錯誤資訊。

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

計時結束指的是到達指定時刻。

喚醒

關於喚醒同樣也有兩種方式，其一是，僅喚醒一個正在等待的條件變數

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

如果有多個正在等待的條件變數，那麼最終被喚醒的執行緒由系統排程策略確定。

其二是，喚醒所有正在等待的條件變數，這種方式非必要不使用，因為會對系統帶來不必要的執行消耗，被稱為驚群效應

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

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希望以上的內容對你有所幫助，也歡迎聯絡我一起探討

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