深入解析条件变量

什么是条件变量（condition variables）

引用APUE中的一句话:

Condition variables are another synchronization mechanism available to threads.
These synchronization objects provide a place for threads to rendezvous. When used with mutexes, condition variables allow threads to wait in a race-free way for arbitrary conditions to occur.

条件变量是线程的另外一种同步机制，这些同步对象为线程提供了会合的场所，理解起来就是两个（或者多个）线程需要碰头（或者说进行交互-一个线程给另外的一个或者多个线程发送消息），我们指定在条件变量这个地方发生，一个线程用于修改这个变量使其满足其它线程继续往下执行的条件，其它线程则接收条件已经发生改变的信号。

条件变量同锁一起使用使得线程可以以一种无竞争的方式等待任意条件的发生。所谓无竞争就是，条件改变这个信号会发送到所有等待这个信号的线程。而不是说一个线程接受到这个消息而其它线程就接收不到了。

一个例子

具体的函数介绍就不说了，详细参考APUE，下面通过一个例子来详细说一下正确使用条件变量的方法。下例实现了生产者和消费者模型，生产者向队列中插入数据，消费者则在生产者发出队列准备好（有数据了）后接收消息，然后取出数据进行处理。实现的关键点在以下几个方面：

• 生产者和消费者都对条件变量的使用加了锁
• 消费者调用pthread_cond_wait,等待队列是否准备好的信息，注意参数有两个，一个是pthread_cond_t，另外一个是pthread_mutex_t.

代码：

#include <pthread.h>
struct msg {
struct msg *m_next;
/* ... more stuff here ... */
};
struct msg *workq;
pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void
process_msg(void)
{
    struct msg *mp;
    for (;;) {
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    while (workq == NULL)
        pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
    mp = workq;
    workq = mp->m_next;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    /* now process the message mp */
    }
}
void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}

关于上面例子的几个疑问

为什么pthread_cond_wait需要加锁？？

pthread_cond_wait中的mutex用于保护条件变量，调用这个函数进行等待条件的发生时,mutex会被自动释放，以供其它线程（生产者）改变条件，pthread_cond_wait中的两个步骤必须是原子性的(atomically,万恶的APUE中文版把这个单词翻译成了『自动』，误人子弟啊)：

• 把调用线程放到条件等待队列上
• 释放mutex

不然呢，如果先释放mutex，这时候生产者线程向队列中添加数据，然后signal,之后消费者线程才去『把调用线程放到等待队列上』，signal信号就这样被丢失了。

如果先把调用线程放到条件等待队列上，这时候另外一个线程发送了pthread_cond_signal（我们知道这个函数的调用是不需要mutex的），然后调用线程立即获取mutex，两次获取mutex会产生deadlock.

在生产者线程中修改条件时为什么要加mutex？？

这么做信号可能会丢失，看下面的例子：

Thead A                             Thread B

pthread_mutex_lock(&qlock);
while (workq == NULL)
                                   mp->m_next = workq;
                                   workq = mp;
                                   pthread_cond_signal(&cond);

pthread_cond_wait(&qready, &qlock);

在while判断之后向队列中插入数据，虽然已经有数据了，但线程A还是调用了pthread_cond_wait等待下一个信号到来。。

消费者线程中判断条件为什么要放在while中？？

while (workq == NULL)
    pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
mp = workq;  

我们把while换成if可不可以呢？

if (workq == NULL)
    pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
mp = workq; 

答案是不可以，一个生产者可能对应着多个消费者，生产者向队列中插入一条数据之后发出signal，然后各个消费者线程的pthread_cond_wait获取mutex后返回，当然，这里只有一个线程获取到了mutex，然后进行处理，其它线程会pending在这里，处理线程处理完毕之后释放mutex，刚才等待的线程中有一个获取mutex，如果这里用if，就会在当前队列为空的状态下继续往下处理，这显然是不合理的。

signal到底是放在unlock之前还是之后？？

void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}

如果先unlock，再signal,如果这时候有一个消费者线程恰好获取mutex，然后进入条件判断，这里就会判断成功，从而跳过pthread_cond_wait,下面的signal就会不起作用；另外一种情况，一个优先级更低的不需要条件判断的线程正好也需要这个mutex，这时候就会转去执行这个优先级低的线程，就违背了设计的初衷。

    void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_cond_signal(&qready);
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
}

如果把signal放在unlock之前，消费者线程会被唤醒，获取mutex发现获取不到，就又去sleep了。浪费了资源.但是在LinuxThreads或者NPTL里面，就不会有这个问题，因为在Linux 线程中，有两个队列，分别是cond_wait队列和mutex_lock队列， cond_signal只是让线程从cond_wait队列移到mutex_lock队列，而不用返回到用户空间，不会有性能的损耗。
所以在Linux中推荐使用这种模式。

References:

why pthread_cond_wait need an lock?

Calling pthread_cond_signal without locking mutex

Why do pthreads’ condition variable functions require a mutex?

indirect priority inversion

pthread_cond_signal 和 pthread_mutex_unlock顺序问题