C++ 标准库中的条件变量用于解决多线程间的等待 - 通知问题，避免轮询造成的 CPU 资源浪费。核心接口包括 wait()、notify_one() 和 notify_all()，需配合 std::unique_lock 使用。通过改造轮询反例实现高效的生产者 - 消费者模型，利用带条件的 wait() 重载版本有效解决虚假唤醒问题。多生产者 - 多消费者模型示例展示了队列满空时的线程同步协作逻辑，确保生产消费任务安全完成。
在多线程编程中，我们经常会遇到的场景。 比如生产者线程生产数据后，消费者线程才能消费；队列不为空时，消费者才能从中取数据。 如果仅用互斥锁实现，消费者线程只能不断轮询检查条件，这会造成 CPU 资源的浪费。
单纯的轮询会导致 CPU 空转，降低程序运行效率，条件变量就是为解决这类问题而生的。
举个简单的轮询反例，消费者不断检查队列是否有数据：
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<queue>
using namespace std;
queue<int> data_queue;
mutex mtx;
// 生产者
void producer(){
for(int i =1; i <=5;++i){
lock_guard<mutex> lock(mtx);
data_queue.push(i);
cout <<"生产者生产数据："<< i << endl;
}
}
// 消费者（轮询方式）
void consumer(){
while(true){
lock_guard<mutex> lock(mtx);
if(!data_queue.empty()){
int data = data_queue.front();
data_queue.pop();
cout <<"消费者消费数据："<< data << endl;
if(data ==5) break;
}
// 没有数据时，依然会不断循环检查，浪费CPU
}
}
int main(){
thread t_producer(producer);
thread t_consumer(consumer);
t_producer.join();
t_consumer.join();
return 0;
}
运行该程序，消费者线程在队列空的时候会一直循环检查，造成不必要的 CPU 开销。
C++11 标准库在 <condition_variable> 头文件中提供了 std::condition_variable 类，它需要与 std::mutex 配合使用，实现线程间的高效等待与通知。
std::condition_variable 的核心接口notify_one() 或 notify_all() 唤醒。pred 条件为 false 时才会阻塞。std::unique_lock 的原因std::condition_variable 的 wait() 函数要求传入 std::unique_lock，而不是 std::lock_guard。
这是因为 wait() 过程中需要临时释放锁，而 std::unique_lock 支持手动解锁和加锁，std::lock_guard 仅支持构造加锁、析构解锁，无法满足需求。
核心结论：条件变量必须与 std::unique_lock 配合使用，才能实现等待时释放锁、唤醒后重新加锁的逻辑。
我们使用 std::condition_variable 改造上述轮询反例，实现高效的生产者 - 消费者模型：
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<queue>
#include<condition_variable>
using namespace std;
queue<int> data_queue;
mutex mtx;
condition_variable cv;
bool is_produced = false;
// 生产完成标志
// 生产者
void producer(){
for(int i =1; i <=5;++i){
lock_guard<mutex> lock(mtx);
data_queue.push(i);
cout <<"生产者生产数据："<< i << endl;
}
is_produced = true;
cv.notify_all();
// 生产完成，唤醒所有等待的消费者
}
// 消费者（条件变量方式）
void consumer(){
unique_lock<mutex> lock(mtx);
// 等待条件：队列不为空 或 生产已完成
cv.wait(lock,[]{return !data_queue.empty()|| is_produced;});
while(!data_queue.empty()){
int data = data_queue.front();
data_queue.pop();
cout <<"消费者消费数据："<< data << endl;
}
}
int main(){
thread t_producer(producer);
thread t_consumer(consumer);
t_producer.join();
t_consumer.join();
return 0;
}
运行该程序，消费者线程在没有数据时会进入等待状态，不会浪费 CPU 资源。 生产者生产完成后唤醒消费者，消费者再进行数据消费。
虚假唤醒指的是线程在没有被 notify_one()/notify_all() 唤醒的情况下，也可能从 wait() 中返回。
为了避免这种情况，我们必须使用带条件的 wait() 重载版本，通过判断条件是否满足来决定是否继续执行。
例如，在消费者线程中，我们用 cv.wait(lock, [](){ return !data_queue.empty() || is_produced; }) 替代无参的 wait()，确保只有在队列有数据或生产完成时，线程才会被唤醒并继续执行。
我们实现一个支持多个生产者和多个消费者的模型，使用条件变量保证线程间的同步协作：
#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<queue>
#include<condition_variable>
#include<vector>
using namespace std;
const int MAX_QUEUE_SIZE = 5;
// 队列最大容量
queue<int> data_queue;
mutex mtx;
condition_variable cv_producer;
// 生产者条件变量
condition_variable cv_consumer;
// 消费者条件变量
bool stop_flag = false;
// 停止标志
// 生产者函数
void producer_func(int id){
for(int i =1; i <=3;++i){
unique_lock<mutex> lock(mtx);
// 等待队列有空位
cv_producer.wait(lock,[]{return data_queue.size()< MAX_QUEUE_SIZE || stop_flag;});
if(stop_flag) break;
int data = id *10+ i;
data_queue.push(data);
cout <<"生产者"<< id <<"生产数据："<< data <<"，队列大小："<< data_queue.size()<< endl;
cv_consumer.notify_one();
// 唤醒一个消费者
}
}
// 消费者函数
void consumer_func(int id){
while(true){
unique_lock<mutex> lock(mtx);
// 等待队列有数据
cv_consumer.wait(lock,[]{return !data_queue.empty()|| stop_flag;});
if(stop_flag && data_queue.empty()) break;
int data = data_queue.front();
data_queue.pop();
cout <<"消费者"<< id <<"消费数据："<< data <<"，队列大小："<< data_queue.size()<< endl;
cv_producer.notify_one();
// 唤醒一个生产者
}
}
int main(){
// 创建 2 个生产者线程和 3 个消费者线程
vector<thread> producers;
vector<thread> consumers;
for(int i =1; i <=2;++i){
producers.emplace_back(producer_func, i);
}
for(int i =1; i <=3;++i){
consumers.emplace_back(consumer_func, i);
}
// 等待所有生产者完成
for(auto& t : producers){
t.join();
}
// 设置停止标志，唤醒所有消费者
stop_flag = true;
cv_consumer.notify_all();
// 等待所有消费者完成
for(auto& t : consumers){
t.join();
}
cout <<"所有生产和消费任务完成"<< endl;
return 0;
}
运行效果：
wait() 函数需要先获取互斥锁，才能保证条件判断的线程安全。wait()：可以有效避免虚假唤醒，确保线程在正确的条件下被唤醒。notify_one() 和 notify_all() 的选择：
notify_one()，效率更高。notify_all()，比如生产完成后通知所有消费者。std::condition_variable 必须与 std::unique_lock 配合使用，核心接口是 wait()、notify_one() 和 notify_all()。wait() 重载版本可以解决虚假唤醒问题，是实际开发中的首选。
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