C++ 条件变量（condition_variable）

在多线程协作中，我们经常会遇到 “一个线程需要等待另一个线程把数据准备好才能继续执行” 的场景。如果让等待线程写一个死循环不停地去检查状态变量，就会白白消耗大量的 CPU 时间。

这就好比你在家等快递：每隔几秒跑到门口看一眼非常累人，更好的办法是先在屋里安心休息，等快递员到了按响门铃通知你，再去开门取件。

C++ 在 <condition_variable> 头文件中提供的 std::condition_variable（条件变量），就是专门用来实现 “条件未满足时睡眠等待、状态更新后按铃唤醒” 的同步工具，如下图所示。

wait() 与 notify_one() 基本用法

在 C++ 中，std::condition_variable 不能单独工作，通常需要下面这 3 个部分配合使用：

• 共享状态变量：比如 bool ready = false;，用来记录数据到底准备好了没有。
• 互斥锁：比如 std::mutex，用来保护共享状态变量的读写安全。
• 条件变量：即 std::condition_variable，用来让等待线程进入睡眠，或者按门铃叫醒它。

语法：

#include <condition_variable>

std::condition_variable cv;

// 等待线程
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []() { return 条件表达式; });

// 通知线程
cv.notify_one();

说明：

对于上面的等待与通知语法，我们需要重点搞清楚以下 3 个部分：

• lock（第 1 个参数）：我们必须传入已加锁的 std::unique_lock 对象，不能传入 std::lock_guard。因为线程准备睡眠时，wait() 需要先把锁临时解开让其他线程修改数据，醒来后再重新锁上，这只有 unique_lock 支持。
• 放行条件（第 2 个参数）：通常传入一个返回布尔值的 Lambda 表达式，表示 “等待直到该条件成立”。返回 true 说明条件已满足，直接放行往下走；返回 false 说明条件还没满足，此时自动释放锁并进入睡眠。小伙伴们千万不要把 true 和 false 的方向记反了。
• notify_one()：由负责准备数据的线程在修改完状态变量后调用，用来唤醒 1 个正在等待该条件变量的线程。

示例 1：等待数据就绪通知

#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <string>
#include <thread>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::string message;
bool ready = false;

void workerTask() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []() { return ready; });    // 等待 ready 变为 true
    std::cout << "工作线程收到数据：" << message << "\n";
}

int main() {
    std::thread worker(workerTask);

    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        message = "订单数据已就绪";
        ready = true;
    }

    cv.notify_one();                          // 解锁后发通知唤醒线程
    worker.join();
    return 0;
}

运行结果如下。

工作线程收到数据：订单数据已就绪

分析：

在这个例子中，工作线程在 workerTask() 里调用 cv.wait() 等待主线程把数据准备好。为了看清这两个线程是如何配合的，我们可以顺着执行先后拆成 3 步来看：

• 睡前自动解锁：工作线程先通过 unique_lock 锁住 mtx，再调用 cv.wait() 检查 ready。此时 ready 为 false，工作线程不能抱着锁去睡觉（否则主线程拿不到锁改数据），因此 wait() 会自动调用 lock.unlock() 临时放锁，再让线程进入睡眠。
• 改状态并按门铃：主线程在局部花括号里通过 std::lock_guard 拿到空闲的 mtx，填好 message 并将 ready 改为 true。走出花括号自动释放锁后，主线程调用 cv.notify_one() 唤醒工作线程。
• 醒来重拿锁并复查：工作线程被唤醒后，wait() 会先自动调用 lock.lock() 重新拿回互斥锁，再次执行 Lambda 表达式确认 ready 已经为 true，然后才正式放行并打印 message。

这里顺便提一点：上面代码中的 ready 是全局变量，所以 Lambda 表达式的捕获列表写成了空的 []。如果以后我们在函数里判断局部变量或类成员变量，记得在捕获列表里写上 [&] 或 [this]，否则编译器会报错提示找不到该变量。

notify_one() 与 notify_all()

当共享状态修改完毕后，std::condition_variable 提供了两个发送通知的成员函数：

• notify_one()：如果当前有多个线程正在等待，只唤醒其中的 1 个线程。这非常适合 “来了一个新任务，只需要叫醒 1 个空闲线程去处理” 的场景。
• notify_all()：一次性唤醒当前正在等待的 “所有” 线程。这非常适合 “裁判发令枪响了” 或 “全局配置加载完毕”，所有等待线程都需要继续往下执行的场景。

示例 2：广播唤醒多个线程

#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool startFlag = false;

void runner(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []() { return startFlag; });
    std::cout << "选手 " << id << " 已出发\n";
}

int main() {
    std::thread t1(runner, 1);
    std::thread t2(runner, 2);
    std::thread t3(runner, 3);

    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        startFlag = true;
        std::cout << "裁判：预备，跑！\n";
    }
    cv.notify_all();    // 广播唤醒所有等待线程

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    return 0;
}

运行结果如下。

裁判：预备，跑！
选手 1 已出发
选手 2 已出发
选手 3 已出发

分析：

cv.notify_all(); 表示向当前所有等待在 cv 上的线程发出唤醒信号。当主线程把 startFlag 设为 true 并调用 cv.notify_all() 后，t1、t2、t3 三个子线程都会被唤醒。

需要注意的是，“同时被唤醒” 并不代表三个线程会同时冲过 wait() 抢着打印。因为每个线程从 wait() 返回之前，都必须重新拿回互斥锁 mtx，所以它们实际上是排着队依次拿锁、打印并释放锁的。由于每次先抢到锁的线程由系统调度决定，小伙伴们在本地运行时看到的选手出发顺序可能和上面不同。

使用条件变量的注意事项

平时编写条件变量代码时，小伙伴们需要重点留意以下 2 个细节：

• 发通知前必须先加锁修改状态变量：cv.notify_one() 和 cv.notify_all() 只是一个 “提醒对方起来检查条件” 的门铃，它们本身并不保存任何布尔状态。
• 推荐先释放锁再发送通知：在通知线程中，我们推荐使用一对局部花括号 {} 包裹 std::lock_guard 修改共享变量。走出花括号让锁先自动释放，随后再调用 notify_one() 或 notify_all()，这样等待线程一醒来就能立刻拿到空闲的锁，不用多等一次。

对于第 1 点，如果通知线程只填了业务数据并按响门铃，却忘了把布尔状态变量 ready 改成 true，就会出问题。因为等待线程醒来复查时看到 ready 依然是 false，会误以为条件还没满足，继续回去睡眠，导致程序一直卡死。因此，下面这种漏改状态变量的写法是错误的。

void notifyBad() {
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        message = "订单数据已就绪";
        // 漏写 ready = true;
    }
    cv.notify_one();
}