Linux 学习笔记（三十四）：线程同步——条件变量与生产消费者模型-平芜编程栈

一、为什么有了互斥锁还需要条件变量？

互斥锁解决了数据冲突，但无法解决“执行顺序”的问题。如果消费者一直抢锁去查仓库（死循环），会导致 CPU 空转（忙等待）。条件变量可以让线程在条件不满足时进入睡眠（阻塞），把 CPU 让出来，直到条件满足时被其他线程唤醒。

二、核心 API 与易错点

pthread_cond_wait(cond, mutex)：等待条件满足。
pthread_cond_signal(cond)：唤醒一个等待的线程。

面试极度高频：为什么 wait 必须传互斥锁？
因为在进入睡眠前，必须释放锁；在醒来后，必须重新获取锁。把“释放锁”和“进入睡眠”合并成一个原子操作，可以防止在释放锁后、入睡前，错过了生产者发出的唤醒信号。

为什么判断条件必须用 while 循环？
因为存在“伪唤醒”（操作系统层面的原因）或多个线程被同时唤醒，醒来后必须再次检查队列状态，否则会导致越界访问。

三、生产者消费者模型（321原则）

3 种关系：生产者与生产者（互斥）、消费者与消费者（互斥）、生产者与消费者（同步+互斥）。
2 个角色：生产者、消费者。
1 个交易场所：阻塞队列（BlockingQueue）。

四、实战：基于阻塞队列的并发控制

通过手写BlockQueue模板类，将生产者与消费者解耦。当队列满时，生产者阻塞；当队列空时，消费者阻塞。极大地提高了程序的健壮性和 CPU 利用率。

(选做：概述一下线程池的架构：提前创建好固定数量的线程，结合任务队列，一旦有任务丢进队列，线程就唤醒去抢任务执行，避免频繁创建销毁线程的开销)

自我实战操作

cd ~/linux_study mkdir sync_test cd sync_test

实战 1：手写一个阻塞队列

vim BlockQueue.hpp

(输入以下代码，结合了你之前学的锁和刚学的条件变量)

#pragma once #include <iostream> #include <queue> #include <pthread.h> template <typename T> class BlockQueue { public: BlockQueue(int cap = 10) : _cap(cap) { pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr); pthread_cond_init(&_cond_pro, nullptr); // 给生产者准备的条件变量 pthread_cond_init(&_cond_con, nullptr); // 给消费者准备的条件变量 } ~BlockQueue() { pthread_mutex_destroy(&_mutex); pthread_cond_destroy(&_cond_pro); pthread_cond_destroy(&_cond_con); } // 生产者接口 void Push(const T& in) { pthread_mutex_lock(&_mutex); // 如果队列满了，生产者就去睡觉 while (_q.size() >= _cap) { pthread_cond_wait(&_cond_pro, &_mutex); } _q.push(in); // 生产了东西，唤醒消费者 pthread_cond_signal(&_cond_con); pthread_mutex_unlock(&_mutex); } // 消费者接口 void Pop(T* out) { pthread_mutex_lock(&_mutex); // 如果队列空了，消费者就去睡觉 while (_q.empty()) { pthread_cond_wait(&_cond_con, &_mutex); } *out = _q.front(); _q.pop(); // 消费了东西，唤醒生产者 pthread_cond_signal(&_cond_pro); pthread_mutex_unlock(&_mutex); } private: std::queue<T> _q; int _cap; pthread_mutex_t _mutex; pthread_cond_t _cond_pro; pthread_cond_t _cond_con; };

实战 2：用两个线程测试阻塞队列

vim main.cc

(输入以下代码)

#include <iostream> #include <unistd.h> #include "BlockQueue.hpp" void* Consumer(void* arg) { BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg; while (true) { int data; bq->Pop(&data); std::cout << "消费者消费了数据: " << data << std::endl; sleep(1); // 模拟消费处理耗时，消费慢，生产快 } return nullptr; } void* Producer(void* arg) { BlockQueue<int>* bq = (BlockQueue<int>*)arg; int data = 1; while (true) { bq->Push(data); std::cout << "生产者生产了数据: " << data << std::endl; data++; usleep(200000); // 生产快 } return nullptr; } int main() { BlockQueue<int>* bq = new BlockQueue<int>(5); // 仓库容量只有5 pthread_t c, p; pthread_create(&c, nullptr, Consumer, (void*)bq); pthread_create(&p, nullptr, Producer, (void*)bq); pthread_join(c, nullptr); pthread_join(p, nullptr); return 0; }

编译运行：