【Linux】＜ 条件变量等待＞解决＜ 线程饥饿问题 ＞——【多线程同步问题】

前言

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一.<同步>概念＆<条件变量>基本概念

• 同步： 在保证数据安全的前提下，让线程能够 按照某种 特定的顺序 访问临界资源 ，从而有效避免 饥饿问题
• 条件变量： 利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制 。 它允许一个或多个线程在某个条件满足时进行等待，并在条件满足时被唤醒
• 注意：条件变量本身不是锁，而是与互斥锁（Mutex）结合使用，以确保线程安全

二.<条件变量等待> 为什么一定需要 <互斥锁 >？

1. 条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以 必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足 ，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。
2. 条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会 牵扯到共享数据的变化 。 所以一定要用互斥锁来保护 。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据

三.<条件变量>使用规范

• 等待条件代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
     {
    
    
     pthread_cond_wait(cond, mutex);
     }
...代码部分
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);

...代码部分改动共享资源，条件变为真
pthread_cond_signal(cond);//给条件发送信号代码
pthread_mutex_unlock(&mutex);

四.饥饿问题展示——“直到其他线程改变前，一直处于忙等待”

1.基于【普通队列】的<生产者消费者模型>面临的<线程饥饿问题>

• 我们有这样一个场景：
• 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。
• 例如：在下面的 生产者消费者（普通队列）模型中 ， 一个线程访问 队列 时，发现队列为空，它 只能等待（忙等待） ，直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
  

2.基于【阻塞队列】的<生产者消费者模型>解决<线程饥饿问题>

• 上面提到： 生产者消费者（普通队列）模型 会面临 <线程饥饿问题>
• 而 阻塞队列 则解决了这个问题，用到了 <条件变量>
• <条件变量> : 条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。它允许一个或多个线程在某个条件满足时进行等待，并在条件满足时被唤醒。条件变量本身不是锁，而是与互斥锁（Mutex）结合使用，以确保线程安全

• 下面是BlockingQueue的机制：

• 当队列为空时：从队列获取元素的操作将会被 阻塞，直到队列中被放入了元素；
• 当队列满时：往队列里存放元素的操作也会被 阻塞，直到有元素被从队列中取出

• 多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue) 解决了 <线程饥饿问题>
  

3.<条件变量>实现【阻塞队列】设计部分（图文详细解读）

• 我们如图所示，在入队列和出队列处分别设置 互斥量(锁) 和 条件变量(锁)
  

我们拿线程1入队列过程举例：

• 队列满了，在1号条件变量上等待；
• 队列空了，在2号条件变量上等待

1. 线程1生产资源进入队列，上互斥锁，发现不符合1号条件变量的条件（队列没满），程序往下跑，解除互斥锁
2. 线程1生产资源进入队列，上互斥锁， 发现符合1号条件变量（队列满了），在条件变量上等待 ，程序不往下跑
3. 此时，线程2消费资源出队列，上互斥锁，发现符合2号条件变量（队列非空），程序往下跑，解除互斥锁； 此时给1号线程条件变量发送信号，唤醒1号条件变量，告诉他“ 你不用等了 ”
4. 此时线程1的条件变量被唤醒，程序往下跑，解除互斥锁

4.<条件变量>实现【阻塞队列】代码

• 回顾阻塞队列：
• 注：这里很多条件变量函数我们还没有介绍，我们明白其作用即可 ，会放到博客最后

• 当队列为空时：从队列获取元素的操作将会被 阻塞，直到队列中被放入了元素；
• 当队列满时：往队列里存放元素的操作也会被 阻塞，直到有元素被从队列中取出

• 代码实现如下：
• 只展示出入队列部分，完整版本在最后

//_c_cond消费者consumer的条件变量
//_p_cond生产者productor的条件变量
//_q是阻塞队列

void Push(const T &in)//生产者productor
{
    
    
     pthread_mutex_lock(&_mutex);
     if(IsFull())//判断是否满，满了进入阻塞等待
     {
    
    
     //自己,阻塞等待
     pthread_cond_wait(&_p_cond,&_mutex);
     }

     _q.push(in);//生产
     
     //生产了，另一个线程条件变量不符合了，唤醒另一个线程的条件变量阻塞等待
     pthread_cond_signal(&_c_cond);
     pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

void Pop(T *out)//消费者consumer
{
    
    
     pthread_mutex_lock(&_mutex);
     if(IsEmpty())//判断是否空，空了进入阻塞等待
     {
    
    
     //自己,阻塞等待
     pthread_cond_wait(&_c_cond,&_mutex);//伪唤醒状态
     }
     
     *out=_q.front();
     _q.pop();//消费
     
     //消费了，另一个线程条件变量不符合了，唤醒另一个线程的条件变量阻塞等待
     pthread_cond_signal(&_p_cond);
     pthread_mutex_unlock(&_mutex);
}

五.条件变量语法

1.条件变量用到的头文件

• 线程库中有 互斥锁 和 条件变量

#include <stdio.h>  
#include <pthread.h> 

2.条件变量的初始化（动态＆静态）

初始化条件变量有两种方法：静态初始化和动态初始化

• 方法1， 静态初始化:
• 静态初始化的互斥量 不需要 显式调用pthread_cond_destroy函数进行销毁

pthread_cond_t cond_d = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

• 方法2， 动态初始化:
• 动态初始化的条件变量在使用完毕后需要显式调用pthread_cond_destroy函数进行销毁

pthread_cond_t cond;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
参数：
    cond：要初始化的条件变量
    attr：条件变量使用的属性对象，通常传递NULL表示使用默认属性。

3.条件变量的销毁

• 动态初始化的条件变量在使用完毕后需要显式调用pthread_cond_destroy函数进行销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
返回值：
     

	int ret = pthread_cond_destroy(&cond_d);  
	if (ret != 0) {
    
      
	    fprintf(stderr, "Failed to destroy condition variable: %s\n", strerror(ret));  
	    exit(EXIT_FAILURE);  
	}

4.条件变量的等待

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：
    cond：要在这个条件变量上等待
    mutex：互斥量

5.唤醒（一般是其他线程中）条件变量的等待

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);