关于condition_variable的问题，为什么condition_variable与mutex配对

Question

我最近一直在学习

std::condition_variable

，只是有一些问题我无法理解。

Cppreference 和许多其他教程都给出了这样的示例：

std::mutex m;
std::condition_variable cv;

void worker_thread()
{
    // wait until main() sends data
    std::unique_lock lk(m);
    cv.wait(lk, []{ return ready; });
 
    // after the wait, we own the lock
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data += " after processing";
 
    // send data back to main()
    processed = true;
    std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
 
    // manual unlocking is done before notifying, to avoid waking up
    // the waiting thread only to block again (see notify_one for details)
    lk.unlock();
    cv.notify_one();
}

1. 为什么

   condition_variable

   总是与

   mutex

   配对？我不明白为什么这里需要互斥锁。
2. lambda 函数

   []{ return ready; }

   在这里做什么？

Answer 1

std::condition_variable

作为执行一些低级消息传递的工具而存在。 C++ std 库没有提供“信号量”或“门”或其他线程原语，而是提供了一个与硬件线程工作方式相匹配的低级原语，您可以使用它来实现其他线程原语。

std::condition_variable

提供了发生通知的钩子，而

std::mutex

提供了保护数据的钩子。 事实上，在实际硬件和操作系统提供通知原语的现实世界中，硬件提供的通知原语并不是 100% 可靠，因此您需要一些数据来备份您的通知系统。

具体而言，可能会出现虚假通知 - 可能会出现与向您的

std::condition_variable

（或其底层硬件/操作系统原语）发送通知的任何人不对应的通知。

因此，当您收到通知时，必须检查一些数据（以线程安全的方式）以确定该通知是否确实对应于消息。

结果是使用

std::condition_variable

的标准方法是拥有 3 个紧密相关的部分：

1. std::mutex

   保护一些包含可能消息的数据。
2. 用于传输通知的

   std::condition_variable

   。
3. 包含消息本身的数据。

一个非常简单的消息系统可能是一扇可以打开但永远不会关闭的门。 在这里，您的数据是一个

bool

，表示“门是否打开”。 当您打开门时，您可以修改该布尔值（以线程安全的方式）并通知等待门打开的任何人。 等待门打开的代码等待条件变量；当它醒来时，它会检查门是否打开，并且仅在门确实打开时才接受通知。 如果门关闭，它会认为唤醒是虚假的，并返回睡眠状态。

实际代码中：

struct Gate {

  void open() {
    auto l = lock();
    is_open = true;
    cv.notify_all();
  }

  void wait() const {
    auto l = lock();
    cv.wait(l, [&]{return is_open;});
  }

private:
  mutable std::mutex m;
  bool is_open = false;
  mutable std::condition_variable cv;

  auto lock() const { return std::unique_lock{m}; }
}

在

open

中，我们锁定互斥体（因为我们正在编辑共享状态 - 布尔值），我们编辑

bool is_open

来表示它已打开，然后我们通知每个正在等待它打开的人它确实已打开.

在

wait

方面，我们需要一个互斥体来调用

cv.wait

。 然后，我们等待，直到大门打开——

wait

的 lambda 版本为我们构建了一个循环，检查虚假唤醒并在发生时返回睡眠状态。