条件变量

条件变量是一个用于存放等待线程的队列，使线程在条件不满足时进入队列睡眠，并由其他线程在条件改变后从队列中唤醒它们的同步机制。

API

• pthread_cond_wait(pthread_cond_t*, pthread_mutex_t*)
• pthread_cond_signal(pthread_cond_t*)
• pthread_cond_broadcast()
• pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*)

使用常规

使用条件变量一定要搭配一个状态变量 (state variable) 与一个互斥锁

• 状态变量：条件变量本身是一个「等待队列」，其不存储关心的条件是否满足的信息；因此需要一个显式的状态变量（通常是布尔值，计数器等）来记录。
• 互斥锁：条件变量的睡眠与唤醒操作必须是原子的，且多进程共享的状态变量也需要保护。

线程被 pthread_cond_wait() 阻塞时释放互斥锁。

生产者/消费者问题

又叫有界缓冲区 (bounded buffer) 问题，由 Dijkstra 提出（这里也能见到你！）。

生产与消费均为 1 单位。

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void *producer(void *arg) {
    for (int i = 0; i < loops; i++) {
        Pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == MAX)         
            Pthread_cond_wait(&empty, &mutex);
        put(i);
        Pthread_cond_signal(&fill);
        Pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

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void *consumer(void *arg) {
    for (int i = 0; i < loops; i++) {
        Pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0)
            Pthread_cond_wait(&fill, &mutex);
        int tmp = get();
        Pthread_cond_signal(&empty);
        Pthread_mutex_unlock(&mutex);
        printf("%d\n", tmp);
    }
}

• 状态变量 count
• 双条件变量
  • empty：确定当前缓冲区未满，从队列中唤醒一名生产者进行生产
  • fill：确定当前缓冲区非空，从队列唤醒一名消费者进行消费
• 使用 while 而非 if：避免被唤醒与修改缓冲区间的中断产生影响

广播

生产者/消费者问题也可以（丑陋地）使用单条件变量解决。

如果仅仅把代码中的双条件变量改为单个是不够的。考虑一个单生产者双消费者的例子：

• 生产者生产 1 单位，唤醒消费者 A，睡眠
• 消费者 A 消费 1 单位，唤醒消费者 B，睡眠
• 缓冲区为空，消费者 B 未通过 while 条件检查，睡眠
• 此时所有线程都陷入睡眠，死锁

可以发现单条件变量的问题在于无法唤醒需要被唤醒的线程。

Lampson 与 Redell 的方案 条件覆盖 (Covering Conditions)：把所有线程都唤醒不就好了？那些不需要被唤醒的线程将因为无法通过 while 条件检查继续睡眠。

• 问题解决：把所有 Pthread_cond_signal() 换成 Pthread_cond_broadcast() 即可。