c++ 学习笔记之多线程：线程锁，条件变量，唤醒指定线程

基于CAS线程加锁方式

CAS（Compare-And-Swap）和 mutex 都是用于实现线程安全的技术，但它们适用于不同的场景，具有不同的性能和复杂性。下面是对两者的区别和使用场景的详细解释：

CAS（Compare-And-Swap）

工作原理

CAS 是一种无锁（lock-free）的同步机制，通过原子操作来比较和交换变量的值。它的核心思想是：只有当变量的当前值等于预期值时，才将其更新为新值，否则重新尝试。这个操作通常在硬件级别支持，以确保其原子性。

优点
  1. 高性能：由于没有锁的开销，CAS 通常比互斥锁更快，尤其是在争用较少的情况下。
  2. 无锁编程：CAS 允许多线程环境下的无锁编程，避免了死锁问题。
  3. 可扩展性：在高并发场景下，CAS 能提供更好的可扩展性，因为它减少了线程间的竞争。
缺点
  1. 复杂性：编写无锁代码更复杂，容易出错，特别是在处理复杂数据结构时。
  2. ABA问题：CAS 操作可能会受到 ABA 问题的影响，即一个值被修改成另一个值后又变回原值，导致 CAS 操作误认为值没有变化。
  3. 不适合长时间操作：如果需要进行长时间操作，CAS 可能不适用，因为在高争用情况下，CAS 可能会反复失败，导致性能下降。
使用场景
  1. 短小且频繁的操作：适用于操作简短且需要高频率执行的场景，如计数器、指针交换等。
  2. 高并发环境：适用于高并发但低争用的场景，如无锁队列、栈等数据结构。

mutex（互斥锁）

工作原理

mutex 是一种基于锁的同步机制，用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。线程在进入临界区前必须获取锁，离开时释放锁。

优点
  1. 易于理解和使用：mutex 的使用方式相对简单，易于理解和实现。
  2. 适用广泛：适用于需要保护临界区的各种场景，包括长时间的复杂操作。
  3. 解决复杂同步问题：对于复杂的共享资源访问，mutex 提供了可靠的解决方案。
缺点
  1. 性能开销：获取和释放锁的操作有一定的性能开销，尤其是在高并发环境下。
  2. 死锁风险：如果使用不当，可能会导致死锁，即两个或多个线程互相等待对方释放锁。
  3. 上下文切换开销：在高争用情况下，线程可能频繁阻塞和唤醒，导致上下文切换开销。
使用场景
  1. 复杂操作和长时间操作：适用于需要长时间保护的临界区操作，特别是复杂的共享数据结构修改。
  2. 低到中等并发环境：适用于并发度不高的环境，或者即使在高并发环境中，也能有效管理临界区的访问。
  3. 简单同步需求：对于简单的同步需求，如单个资源的访问控制，mutex 是一个可靠的选择。

总结

  • CAS：适用于短小、频繁且简单的操作，特别是在高并发但低争用的场景中，能提供更好的性能和可扩展性，但编写无锁代码更复杂。
  • mutex：适用于长时间、复杂的操作，以及需要可靠保护的临界区，易于理解和使用，但在高并发环境下性能可能不如无锁方案。

示例：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>std::atomic<int> num(0); // 使用std::atomic定义一个原子整数void increment() {for (int i = 0; i < 1000; ++i) {int expected = num.load();while (!num.compare_exchange_weak(expected, expected + 1)) {// 如果CAS失败，expected会被更新为当前的值，继续尝试}}
}int main() {std::thread t1(increment);std::thread t2(increment);t1.join();t2.join();std::cout << "Final value of num: " << num << std::endl;return 0;
}

条件变量：std::condition_variable

条件变量的工作原理

  1. 线程等待 (wait)：

    • 当线程调用 wait 方法时，它会自动释放与条件变量相关联的互斥锁，并进入等待状态。
    • 线程在等待期间会阻塞，直到被其他线程通知。
    • 重要的是，wait 方法会确保线程在被唤醒时会重新获得互斥锁，这样它可以安全地检查和更新条件。

  2. 线程通知 (notify_all 或 notify_one)：

    • 当某个线程改变了共享状态（即更新了条件）后，它会调用 notify_all 或 notify_one 方法来通知其他线程。
    • notify_all 会唤醒所有在条件变量上等待的线程，而 notify_one 只会唤醒一个线程（如果有多个线程等待）。

来控制多个线程的执行顺序。以下是一个示例代码，实现了四个线程按照指定顺序（2 -> 1 -> 4 -> 3）循环执行：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>
#include <algorithm>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
int current_thread = 2; // 初始线程编号
const std::vector<int> order = {2, 1, 4, 3}; // 执行顺序
const int num_iterations = 10; // 每个线程执行的循环次数void thread_function(int thread_id) {for (int i = 0; i < num_iterations; ++i) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [thread_id]() { return current_thread == thread_id; });// 执行线程的任务std::cout << "Thread " << thread_id << " is executing\n";// 更新当前线程编号auto it = std::find(order.begin(), order.end(), thread_id);if (it != order.end() && ++it != order.end()) {current_thread = *it;} else {current_thread = order[0];}// 唤醒所有等待线程cv.notify_all();}
}int main() {std::vector<std::thread> threads;// 创建四个线程for (int i = 1; i <= 4; ++i) {threads.emplace_back(thread_function, i);}// 等待所有线程完成for (auto& t : threads) {t.join();}return 0;
}

notify_all 和 notify_one 的区别

  1. notify_all:

    • 功能：唤醒所有在条件变量上等待的线程。
    • 使用场景：当条件变化时，你希望所有等待的线程都能被唤醒并检查条件。例如，当一个共享资源的状态发生变化，并且所有等待的线程都需要重新检查状态时，使用 notify_all 是合适的。
    • 缺点：如果有大量线程等待，并且每次通知都会唤醒所有线程，可能会导致性能问题，因为所有线程都会被唤醒并重新竞争锁。

  2. notify_one:

    • 功能：唤醒一个在条件变量上等待的线程。如果有多个线程等待，哪个线程被唤醒是不确定的。
    • 使用场景：当条件变化时，只需要唤醒一个线程进行处理，其他线程可以继续等待。例如，当有线程处理某个任务时，你可能只需要唤醒一个线程来处理它，并且其他线程可以继续等待。
    • 优点：比 notify_all 更高效，特别是在只需唤醒一个线程的情况下，减少了不必要的线程唤醒和锁竞争。

多线程编程中，怎么唤醒指定的线程

在多线程编程中，标准的 C++ 条件变量 (std::condition_variable) 并不提供直接指定唤醒哪个特定线程的功能。std::condition_variable 提供的 notify_one() 和 notify_all() 方法仅仅是唤醒一个或所有等待线程，并不支持精确指定具体的线程。要实现更细粒度的线程控制，你需要采用其他方法。以下是一些常见的方法来间接实现唤醒特定线程的需求：

1. 线程标识符与条件变量

你可以使用标识符或某种标志来控制哪个线程应该继续执行。这种方法不直接唤醒特定线程，但通过条件变量和额外的状态管理来实现间接的控制。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <vector>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready[4] = {false, false, false, false}; // 每个线程的准备状态void worker(int id) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [id]{ return ready[id]; }); // 等待特定条件std::cout << "Worker " << id << " is processing\n";
}void set_ready(int id) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);ready[id] = true;cv.notify_all(); // 或 notify_one()，具体取决于你的需求
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 4; ++i) {threads.emplace_back(worker, i);}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟准备时间// 唤醒特定的线程set_ready(2); // 只唤醒 id 为 2 的线程for (auto& t : threads) {t.join();}return 0;
}

2. 使用 std::promise 和 std::future

std::promise 和 std::future 提供了另一种方式来管理线程间的同步，并可以用于将结果传递给特定线程。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
#include <vector>std::vector<std::promise<void>> promises(4);
std::vector<std::future<void>> futures;void worker(int id) {futures[id].wait(); // 等待对应的 promise 被设置std::cout << "Worker " << id << " is processing\n";
}int main() {for (int i = 0; i < 4; ++i) {futures.push_back(promises[i].get_future());std::thread(worker, i).detach();}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟准备时间// 唤醒特定的线程promises[2].set_value(); // 唤醒 id 为 2 的线程std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 给线程时间完成任务return 0;
}

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