操作系统中的进程同步：条件变量（Condition Variable）详解

1. 知识点描述
条件变量是一种进程/线程同步机制，用于在多个线程间实现复杂的等待/通知逻辑。它与互斥锁配合使用，主要解决"等待特定条件成立"的场景——当某个条件不满足时，线程自动释放锁并进入等待状态；当条件可能满足时，其他线程通过通知机制唤醒等待的线程。

2. 条件变量的核心作用

• 避免忙等待：线程在条件不满足时主动休眠，而不是循环检查消耗CPU
• 实现精准同步：只在条件真正满足时才唤醒相关线程
• 与互斥锁协同：保证对共享条件的检查与修改是原子性的

3. 条件变量的三个基本操作

3.1 等待（wait）操作

步骤：
1. 线程首先获取互斥锁（确保条件检查的原子性）
2. 检查条件是否满足
3. 如果条件不满足：
   - 自动释放互斥锁（让其他线程能修改条件）
   - 线程进入休眠状态（加入条件变量的等待队列）
4. 当被唤醒时：
   - 重新获取互斥锁（保证后续操作的安全性）
   - 再次检查条件（防止虚假唤醒）

3.2 通知（signal/broadcast）操作

signal（通知一个线程）：
1. 线程获取互斥锁（保证修改条件的安全性）
2. 修改共享条件
3. 发送信号唤醒等待队列中的一个线程
4. 释放互斥锁

broadcast（通知所有线程）：
1. 线程获取互斥锁
2. 修改共享条件
3. 发送信号唤醒等待队列中的所有线程
4. 释放互斥锁

4. 条件变量的典型使用模式

生产者-消费者场景示例：

// 共享资源
queue buffer;
mutex lock;
condition not_empty;  // 缓冲区非空条件
condition not_full;   // 缓冲区未满条件

// 生产者线程
void producer() {
    lock.acquire();
    while (buffer.is_full()) {    // 必须用while循环检查
        not_full.wait(&lock);     // 等待"未满"条件
    }
    buffer.add(item);
    not_empty.signal();           // 通知消费者"非空"
    lock.release();
}

// 消费者线程
void consumer() {
    lock.acquire();
    while (buffer.is_empty()) {   // 必须用while循环检查
        not_empty.wait(&lock);    // 等待"非空"条件
    }
    item = buffer.remove();
    not_full.signal();            // 通知生产者"未满"
    lock.release();
}

5. 关键实现细节

5.1 为什么需要while循环而不是if？

• 虚假唤醒：某些实现中线程可能在没有收到通知时被意外唤醒
• 条件可能再次改变：被唤醒后条件可能已被其他线程修改
• 广播唤醒：使用broadcast时多个线程被唤醒，但条件可能只满足一个

5.2 条件变量与互斥锁的关系

• 条件变量本身不提供互斥保护，必须与互斥锁配合使用
• wait操作会自动释放锁，唤醒后会自动重新获取锁
• 这种"释放锁-等待-重新获取锁"的原子性由条件变量保证

6. 条件变量的底层实现机制

6.1 等待队列管理

• 每个条件变量维护一个等待队列
• wait操作将当前线程加入队列并设置休眠状态
• signal/broadcast操作从队列中移除线程并设置为就绪状态

6.2 与调度器的交互

wait操作：
- 将线程状态从RUNNING改为WAITING
- 将线程加入条件变量的等待队列
- 调用调度器切换线程

signal操作：
- 从等待队列中移出线程
- 将线程状态从WAITING改为READY
- 将线程加入就绪队列

7. 条件变量的常见问题与解决方案

7.1 丢失唤醒问题

• 场景：通知发生在等待之前，导致通知被丢失
• 解决：始终在持有锁的情况下修改条件和发送通知

7.2 优先级反转问题

• 场景：低优先级线程持有锁，高优先级线程在条件变量上等待
• 解决：使用优先级继承或优先级天花板协议

8. 不同操作系统中的实现差异

8.1 POSIX条件变量（pthread_cond_t）

• pthread_cond_wait()、pthread_cond_signal()、pthread_cond_broadcast()
• 需要与pthread_mutex_t配合使用

8.2 Windows条件变量（CONDITION_VARIABLE）

• SleepConditionVariableCS()、WakeConditionVariable()、WakeAllConditionVariable()
• 可与临界区或SRW锁一起使用

条件变量是构建高级同步原语（如阻塞队列、读写锁等）的基础组件，正确理解其原理和使用模式对编写可靠的多线程程序至关重要。