C++ std::condition_variable條件變量

C++11提供了兩個條件變量的實現：std::condition_variable和std::condition_variable_any。std::condition_variable只可與std::mutex一起使用；std::condition_variable_any更加靈活，但需要額外的性能代價。

先看看std::condition_variable的接口：

被等待的線程（喚醒別的線程）操作流程如下：

• 獲取std::mutex（如通過std::lock_guard）
• 在持有鎖時修改數據
• 在sdt::condition_variable上執行notify_one或notify_all（不需要爲通知持有鎖）

等待被喚醒的線程操作流程如下：

• 獲取std::mutex（如通過std::unique_lock）
• 執行wait、wait_for或wait_until ，該操作會自動釋放互斥，並懸掛線程的執行
• std::condition_variable被通知、超時或虛假喚醒發生，線程被喚醒，且自動重獲得互斥。之後線程應檢查條件，若喚醒是虛假的，則繼續等待

 借用在線手冊上的例子（https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable）：

（例子中main線程將數據以全部變量的形式給worker線程處理，處理完後再回到main線程）

#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex m;
std::condition_variable cv;
std::string data;
bool ready = false;
bool processed = false;

void worker_thread()
{
	// 等待直至 main() 發送數據
	std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
	cv.wait(lk, [] {return ready; });

	// 等待後，我們佔有鎖。
	std::cout << "Worker thread is processing data\n";
	data += " after processing";

	// 發送數據回 main()
	processed = true;
	std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";

	// 通知前完成手動解鎖，以避免等待線程才被喚醒就阻塞（細節見 notify_one ）
	lk.unlock();
	cv.notify_one();
}

int main()
{
	std::thread worker(worker_thread);

	data = "Example data";
	// 發送數據到 worker 線程
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
		ready = true;
		std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
	}
	cv.notify_one();

	// 等候 worker
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
		cv.wait(lk, [] {return processed; });
	}
	std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';

	worker.join();

	system("pause");
	return 0;
}

有一些要注意的地方：

• 在等待時，管理mutex使用的是unique_lock而不是lock_guard，因爲等待時是不持有鎖的。wait函數會調用mutex的unlock函數，之後再睡眠，直到被喚醒後才持有鎖。lock_guard沒有lock/unlock接口，所以需要用unique_lock。
• 在對wait函數的調用中，條件變量可能會對提供的條件檢查任意多次。這發生在互斥元被鎖定的情況下，並且當測試條件返回true時就會立即返回。當等待線程重新獲取互斥元並檢測條件時，如果它並非直接響應另一個線程的通知，這就是所謂的僞喚醒（spurious wake）。僞喚醒的次數和頻率根據定義是不確定的。
• 發送方在接收方進入等待狀態之前發送通知，則通知會丟失。