操作系统中的线程同步：条件变量（Condition Variable）

一、问题描述
条件变量是操作系统线程同步的重要机制，用于解决线程间等待特定条件成立的场景。当某个条件不满足时，线程可以主动等待在该条件变量上；当其他线程改变了条件并使其成立时，可以唤醒等待的线程继续执行。它通常与互斥锁配合使用，确保对共享条件的检查与修改是原子操作。

二、核心概念解析

1. 为什么需要条件变量？

   • 互斥锁只能解决临界区的互斥访问，但无法解决"等待条件成立"的问题
   • 示例：消费者线程需要等待队列非空才能消费，单纯用互斥锁会导致忙等待（不断循环检查），浪费CPU资源

2. 条件变量的核心操作

   • wait(lock): 释放锁并进入等待，被唤醒后重新获取锁
   • signal()/notify(): 唤醒一个等待线程
   • broadcast()/notify_all(): 唤醒所有等待线程

三、条件变量的标准使用模式
以生产者-消费者问题为例（单条件变量简化版）：

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
Queue buffer;  // 共享缓冲区

// 生产者线程
void producer() {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    // 生产数据并放入缓冲区
    buffer.push(item);
    // 通知消费者
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
}

// 消费者线程
void consumer() {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while (buffer.empty()) {  // 必须用while循环检查
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);  // 原子操作：释放锁+等待
    }
    // 消费数据
    item = buffer.pop();
    pthread_mutex_unlock(&lock);
}

四、关键细节与原理分析

1. 为什么wait()需要与互斥锁配合？

   • 保证检查条件（如buffer.empty()）和进入等待是原子操作
   • 防止这种竞态条件：消费者检查条件为真→准备等待时，生产者修改了条件并发送信号（此时消费者还未等待，信号丢失）

2. 为什么用while循环而不是if判断条件？

   • 虚假唤醒：某些系统会无缘无故唤醒线程（如信号中断、多个消费者时被其他消费者抢走资源）
   • 广播唤醒：被broadcast()唤醒后需要重新检查条件
   • 因此被唤醒后必须重新验证条件是否真正满足

3. wait()操作的原子性原理

   • 步骤1：释放互斥锁（让其他线程能修改条件）
   • 步骤2：线程进入等待队列阻塞
   • 步骤3：被唤醒后重新获取互斥锁
   • 这三个步骤是原子操作，防止信号丢失

五、条件变量的实际应用场景

1. 线程池任务调度：工作线程等待任务队列非空
2. 读写锁实现：写线程等待所有读线程完成
3. 屏障同步：多个线程等待彼此到达同步点
4. 有限状态机：线程等待状态转换

六、常见错误与最佳实践

1. 错误示例：未加锁直接检查条件（竞态条件）
2. 错误示例：用if代替while检查条件（虚假唤醒问题）
3. 最佳实践：总是使用"加锁→while检查条件→wait→解锁"模式
4. 信号时机：在修改条件后发送信号，通常放在临界区内（持有锁时）

通过条件变量的正确使用，可以实现高效的线程同步，避免忙等待带来的CPU浪费，是构建高性能并发程序的基础工具。