条件变量--使两个线程实现交替打印

一、介绍

什么是条件变量？

条件变量（Condition Variable）是多线程编程中用于线程间通信和同步的一种机制。它通常与互斥锁（Mutex）一起使用，用于解决线程竞争和避免忙等待的问题。（条件变量不能单独使用）

条件变量解决的主要问题是当一个线程需要等待某个条件变成真时，它可以释放互斥锁，让其他线程有机会执行。当条件变成真时，线程可以重新获得互斥锁并继续执行。能提高线程的效率，避免了一些不必要的忙等待。

条件变量通常与以下三个函数一起使用：

pthread_cond_init： 初始化条件变量。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

pthread_cond_wait： 在等待条件变为真的同时释放互斥锁，将线程挂起。

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

pthread_cond_signal / pthread_cond_broadcast： 用于通知等待条件变为真的线程。

pthread_cond_signal：通知等待队列中的一个线程。
pthread_cond_broadcast：通知等待队列中的所有线程。

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

使用条件变量时，几种典型的模式：

线程在互斥锁的保护下检查条件是否满足。
如果条件不满足，线程调用 pthread_cond_wait 来等待条件的变化，同时释放互斥锁。
当其他线程满足条件时，它们会调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 来通知等待的线程。
被通知的线程醒来，重新获得互斥锁，再次检查条件是否满足。如果条件满足，它继续执行，否则它可能再次等待。

二、使用举例

题目描述：

使用两个线程实现交替打印“hello thread A”，“hello thread B”，要求不能出现连续的同一个线程进行打印。

解决方法：

定义一个互斥锁（g_lock）用于保护共享资源，确保一次只有一个线程可以访问临界区，避免数据竞争；

定义两个条件变量（thread_a_cond、thread_b_cond）用于控制线程间的通信。

定义一个变量（g_is_my_turn）控制两个线程的执行顺序。

定义两个函数thread_a_start、thread_b_start，分别让两个线程来调用。

void *thread_a_start(void *arg)
{(void)arg;while (1){pthread_mutex_lock(&g_lock);while (g_is_my_turn == 1){pthread_cond_wait(&thread_a_cond, &g_lock);}printf("hello thread A\n");sleep(1);g_is_my_turn++;pthread_mutex_unlock(&g_lock);pthread_cond_signal(&thread_b_cond);}
}

arg 参数未被使用，因此在函数体内使用 (void)arg; 这样的语句是为了消除编译器可能产生的未使用参数的警告。
线程A通过互斥锁保护临界区。
当 g_is_my_turn 为1时，线程A等待条件变量 thread_a_cond，直到线程B通知。
打印信息，休眠1秒，然后通过递增 g_is_my_turn 来通知线程B可以执行。
解锁互斥锁，并通过条件变量 thread_b_cond 通知线程B。

void *thread_b_start(void *arg)
{(void)arg;while (1){sleep(1);pthread_mutex_lock(&g_lock);while (g_is_my_turn == 0){pthread_cond_wait(&thread_b_cond, &g_lock);}printf("hello thread B\n");sleep(1);g_is_my_turn--;pthread_mutex_unlock(&g_lock);pthread_cond_signal(&thread_a_cond);}
}

线程B休眠1秒，然后通过互斥锁保护临界区。
当 g_is_my_turn 为0时，线程B等待条件变量 thread_b_cond，直到线程A通知。
打印信息，休眠1秒，然后通过递减 g_is_my_turn 来通知线程A可以执行。
解锁互斥锁，并通过条件变量 thread_a_cond 通知线程A。

主函数调用：

初始化互斥锁和条件变量。
创建两个线程，分别执行线程A和线程B的函数。
等待两个线程的结束。
销毁互斥锁和条件变量。

int main()
{// 初始化pthread_mutex_init(&g_lock, NULL);pthread_cond_init(&thread_a_cond, NULL);pthread_cond_init(&thread_b_cond, NULL);// 定义两个线程pthread_t thread_a, thread_b;int ret = pthread_create(&thread_a, NULL, thread_a_start, NULL);if (ret < 0){perror("pthread_create error");return 0;}ret = pthread_create(&thread_b, NULL, thread_b_start, NULL);if (ret < 0){perror("pthread_create error");return 0;}pthread_join(thread_a, NULL);pthread_join(thread_b, NULL);pthread_mutex_destroy(&g_lock);pthread_cond_destroy(&thread_a_cond);pthread_cond_destroy(&thread_b_cond);return 0;
}

函数解析：

在 pthread_create 函数中，各个参数的含义如下：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

thread：一个指向 pthread_t 类型的变量的指针，用于存储新创建线程的标识符。
attr：一个指向 pthread_attr_t 类型的变量的指针，用于指定线程的属性。一般使用NULL。
start_routine：是一个函数指针，指向线程的起始函数。这个函数必须返回 void * 类型，接受一个 void * 类型的参数。线程将从这个函数开始执行。该函数的参数只能有且一个void*类型。
arg：传递给 start_routine 函数的参数，这里是一个 void * 类型的指针。通常，可以使用这个参数来向线程传递一些数据。