条件变量

条件变量（Condition Variable）是多线程编程中的一种同步机制，用于线程之间的等待和通知。它允许一个或多个线程等待某个特定条件的发生，而不需要消耗 CPU 资源。条件变量通常与互斥锁（Mutex）一起使用，以实现线程之间的协调。

当一些线程在同时等待某种资源的时候，就可以使用条件变量来控制线程的等待和执行。以下是 pthread 库中条件变量的相关接口。

#include <pthread.h>

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

当某个线程执行 pthread_cond_wait() 时，该线程会被阻塞住，并释放互斥锁等待直到被唤醒。被阻塞住的线程需要使用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 唤醒，如果有多个线程正在被阻塞，那么前者的作用是随机唤醒其中一个线程，后者是唤醒所有阻塞中的线程。线程被唤醒后，会尝试重新获得锁。

它们大致的工作流程如下表。

事件	互斥锁状态	线程状态
...	锁定🔒	运行⏸
调用 pthread_cond_wait()	解除🔓	阻塞⏹
...	解除🔓	阻塞⏹
收到唤醒通知	尝试锁定🔐	阻塞⏹
获取锁成功	锁定🔒	运行⏸
...	锁定🔒	运行⏸

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* routine(void* arg) {
    const char* n = (const char*)arg;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("thread %s: hello\n", n);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, routine, (void*)"1");
    pthread_create(&tid2, NULL, routine, (void*)"2");
    while (1) {
        printf("main thread: signal\n");
        pthread_cond_signal(&cond);
        sleep(1);
    }
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    return 0;
}

主线程执行 pthread_cond_signal() 时，会随机唤醒一个正在被 pthread_cond_wait() 阻塞的线程，运行结果如下。

$ ./main 
main thread: signal
thread 1: hello
main thread: signal
thread 2: hello
main thread: signal
thread 1: hello
...

如果将上面代码中的 pthread_cond_signal 改为 pthread_cond_broadcast，那么主线程每次都会唤醒所有线程。

$ ./main 
main thread: signal
thread 2: hello
thread 1: hello
main thread: signal
thread 2: hello
thread 1: hello

需要注意的是，就算 pthread_cond_broadcast() 同时放行了所有线程，接下来这些线程也会因为竞争锁，而依次执行。