转自：[https://www.cnblogs.com/liyuan989/p/4240271.html](https://www.cnblogs.com/liyuan989/p/4240271.html) # 一、前言 在多线程编程中，互斥锁与条件变量恐怕是最常用也是最实用的线程同步原语。 关于条件变量一共也就pthread\_cond\_init、pthread\_cond\_destroy、pthread\_cond\_wait、pthread\_cond\_timedwait、pthread\_cond\_signal、pthread\_cond\_broadcast这么几个函数，但是在实际使用中却是很容易用错，后文将来分析几种常见使用情况的正确性。 # 二、分析 下面是一个辅助基类、便于减少篇幅（为了简单起见，后文中的所有函数调用并未检查返回的错误情况）： ```cpp class ConditionBase { public: ConditionBase() { pthread_mutex_init(&mutex_, NULL); pthread_cond_init(&cond_, NULL); } ~ConditionBase() { pthread_mutex_destroy(&mutex_); pthread_cond_destroy(&cond_); } private: pthread_mutex_t mutex_; pthread_cond_t cond_; }; ``` ## 版本一 ```cpp class Condition1 : public ConditionBase { public: void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_cond_signal(&cond_); } }; ``` 错误，这种情况有可能丢失事件。当signal发生在wait之前，就会丢失这次signal事件。如下图 ![img](../../../../../ff_internal_upload/img/2015/212024571104887.png) ## 版本二 ```cpp class Condition2 : public ConditionBase { public: void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); pthread_cond_signal(&cond_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } }; ``` 错误，同情况一一样有可能丢失事件。当signal事件发生在wait之前就会丢失signal事件。如下图 ![img](../../../../../ff_internal_upload/img/2015/212029124694835.png) ## 版本三 ```cpp class Condition3 : public ConditionBase { public: Condition3() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); if (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); signal_ = true; pthread_cond_signal(&cond_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } private: bool signal_; }; ``` 错误。引入了bool变量来检查状态，但是遇到spurious wakeup仍然会发生错误。 什么是spurious wakeup？Wikipedia中是这样说的： > Spurious wakeup describes a complication in the use of condition variables as provided by certain multithreading APIs such as POSIX Threads and the Windows API. Even after a condition variable appears to have been signaled from a waiting thread's point of view, the condition that was awaited may still be false. One of the reasons for this is a spurious wakeup; that is, a thread might be awoken from its waiting state even though no thread signaled the condition variable. 也就是说一次signal调用唤醒了2个或者2个以上的waiting中的线程，这种现象就是spurious wakeup，虚假唤醒。 APUE上这样说： > POSIX规范为了简化实现，允许pthread\_cond\_signal在实现的时候可以唤醒不止一个线程。 在发生的spurious wakeup时候，waiting线程被意外的唤醒，然后到真正signal的时候，waiting线程在之前已经spurious wakeup唤醒了，这样就会造成不易debug的错误。如下图 ![img](../../../../../ff_internal_upload/img/2015/212050062509737.png) ## 版本四 ```cpp class Condition4 : public ConditionBase { public: Condition4() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); while (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); signal_ = true; pthread_cond_signal(&cond_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } private: bool signal_; }; ``` 正确。这个是推荐用法，APUE, UNP，man手册中都是这种用法，在wait上用while循环而不是if就可以正确处理spurious wakeup情况了。当发生spurious wakeup时，wait被意料之外的唤醒，但是循环条件并没有改变，于是循环继续执行pthread\_cond\_wait，然后继续进入wait，等待被正确的唤醒。 ## 版本五 ```cpp class Condition5 : public ConditionBase { public: Condition5() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); while (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); signal_ = true; pthread_mutex_unlock(&mutex_); pthread_cond_signal(&cond_); } private: bool signal_; }; ``` 正确。版本五与版本四的唯一区别就是在唤醒的时候先解锁再调用signal发起唤醒。这么做不会有错误，但是可能有较大几率会使线程调度不在最理想状态，例如在wakeup调用中的解锁以后，调用signal以前，系统调度发生线程切换，使得signal没有在第一时间被发出。 这是在stackoverflow的一个帖子中的说法：http://stackoverflow.com/questions/4544234/calling-pthread-cond-signal-without-locking-mutex > Note that you *can* actually move the `pthread\_cond\_signal()` itself after the `pthread\_mutex\_unlock()`, but this can result in less optimal scheduling of threads, and you've necessarily locked the mutex already in this code path due to changing the condition itself. ## 版本六 ```cpp class Condition6 : public ConditionBase { public: Condition6() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); while (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); pthread_cond_signal(&cond_); signal_ = true; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } private: bool signal_; }; ``` 正确，版本六与版本四的区别状态的改变和发起signal唤醒信号的顺序互换了，由于整个wakeup过程都在mutex的包含之下，所以并没有影响。但是个人更推荐版本四，因为更符合逻辑，不然APUE和UNP也不会都用版本四的写法顺序了:) ## 版本七 ```cpp class Condition7 : public ConditionBase { public: Condition7() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); while (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { pthread_mutex_lock(&mutex_); signal_ = true; pthread_cond_broadcast(&cond_); pthread_mutex_unlock(&mutex_); } private: bool signal_; }; ``` 正确。与版本四的区别是这里用了broadcast，而不是signal。对于这种只有一个wait线程的时候，是没有问题的。但是当有多个wait线程的时候，使用broadcast就把所有wait线程都唤醒了。 另外，当我们使用条件变量cond实现事件等待器的时候，就要用broadcast而不是signal了，因为当有多个事件挂起在wait调用上等待时，signal只能唤醒其中的一个等待线程，并且我们不能期待它唤醒具体的某一个线程，因为这个是不可控的。 ## 版本八 ```cpp class Condition8 : public ConditionBase { public: Condition8() : signal_(false) { } void wait() { pthread_mutex_lock(&mutex_); while (!signal_) { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } signal_ = false; pthread_mutex_unlock(&mutex_); } void wakeup() { signal_ = true; pthread_cond_signal(&cond_); } private: bool signal_; }; ``` 错误。存在data race，从而导致有可能丢失事件。当wakeup调用发生在wait调用中的进入while循环之后，调用pthread\_cond\_wait之前，就会丢失signal事件。如下图 ![img](../../../../../ff_internal_upload/img/2015/212146531253057.png) 另外，在wait调用中，必须用一个mutex同时保护条件状态和cond的pthread\_cond\_wait的调用，而不能用2个mutex，一个保护条件状态，一个保护pthread\_cond\_wait，pthread\_cond\_signal的调用。 这样仍然会出现race condition。比如先发生wait调用，保护条件的mutex加锁、检查条件、解锁，然后切换线程调用wakeup发送signal信号，再切回wait线程，保护cond的mutex加锁、进入pthread\_cond\_wait的waiting状态中，从而丢失了之前的signal事件。 # 三、总结 使用条件变量，调用signal/broadcast的时候，无法知道是否已经有线程等在wait上了。因此，一般要先改变条件状态，然后再发送signal/broadcast信号。然后在wait调用线程上先检查条件状态，只有当条件状态为假的时候才进入pthread\_cond\_wait进行等待，从而防止丢失signal/broadcast事件。并且检查条件、pthread\_cond\_wait，修改条件、signal/broadcast都要在同一个mutex的保护下进行。 # 四、参考文献 1. W.Richard Stevens. [UNIX环境高级编程(第3版), 人民邮电出版社, 2014](http://book.douban.com/subject/25900403/) 2. Wikipedia. [Spurious\_wakeup](http://en.wikipedia.org/wiki/Spurious\_wakeup) 3. stackoverflow. [Calling pthread\_cond\_signal without locking mutex](http://stackoverflow.com/questions/4544234/calling-pthread-cond-signal-without-locking-mutex)