Modern C++ 一个例子学习条件变量

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问题程序

施魔法让BUG浮出水面

条件变量注意事项

修改程序

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问题程序

今天无意中看到一篇帖子，关于条件变量的，不过仔细看看发现它并达不到原本的目的。

程序如下，读者可以先想想他的本意，以及有没有问题：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <unistd.h>
using namespace std;
//全局条件变量
condition_variable cond;
mutex _mutex;
int count = 0;
 
void fun1(){
    while(1)
    {
        count++;
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        if(count%5 == 0)
        {
            cond.notify_one();
        }
        else
        {
            cout<<"this is fun1,count="<<count<<endl;
        }
        lock.unlock();
        sleep(1);
    }
}
 
void fun2()
{
    while(1)
    {
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        cond.wait(lock);
        cout<<"this is fun2,count="<<count<<endl;
        lock.unlock();
        sleep(2);
    }
}
 
int main()
{
    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

OK，本意显然是：

1. 从1开始打印整数
2. 线程t1, 打印非5的倍数
3. 线程t2, 打印5的倍数

编译执行，运行的还不错，符合预期，但这都是sleep的功劳。

施魔法让BUG浮出水面

把fun1中的sleep去掉，fun2中的sleep放到cond.wait(lock)后，它BUG的面目就暴露出来了：

void fun1(){
    while(1)
    {
        count++;
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        if(count%5 == 0)
        {
            cond.notify_one();
        }
        else
        {
            cout<<"this is fun1,count="<<count<<endl;
        }
        lock.unlock();
    }
}

void fun2()
{
    while(1)
    {
        unique_lock<mutex>lock(_mutex);
        cond.wait(lock);
        sleep(2);
        cout<<"this is fun2,count="<<count<<endl;
        lock.unlock();
    }
}

[mzhai@lock]$ ./a.out
this is fun1,count=1
this is fun1,count=2
this is fun1,count=3
this is fun1,count=4
this is fun2,count=6
this is fun1,count=6
this is fun1,count=7
this is fun1,count=8
this is fun1,count=9
this is fun1,count=11
this is fun1,count=12
this is fun1,count=13
this is fun1,count=14
this is fun1,count=16
this is fun1,count=17
this is fun1,count=18
this is fun1,count=19
this is fun1,count=21

多线程结果不能因随机加了几个sleep就不同，加sleep仅仅是模拟线程调度不大一样了。

再回过头来看看代码哪些地方有问题：

1. cond.notify_one(); count是5的倍数时，t1会通过notify_one通知t2做事，但并不会阻止t1继续执行。想想一下如果t1执行的很快而t2一直没得到调度，则t1会打印1，2，3，4，6，7，8，9，11...
2. cond.wait(lock); 可能会假唤醒，此时t1并没有通知它。

那“this is fun2,count=6” 是怎么回事哪？不应该是5吗？一种可能性是（可以通过GDB调试来模拟）：

条件变量注意事项

1. 条件变量不擅长单打独斗，一般要和flag变量与锁同时使用。
2. notify对方线程并不代表调度让给了对方线程。

修改程序

说了那么多，怎么改哪？

?这是一个典型的你等我我等你的例子，对于这个例子都是一方干完事情另一方才能继续，完全串休化的任务，直接写到一个线程里即可。如果说我为了练习线程同步技巧非要整两个线程，那也行，condition_variable官方文档上就有一个例子实现了main线程等待worker_thread完成任务：

#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <string>
#include <thread>
 
std::mutex m;
std::condition_variable cv;
std::string data;
bool ready = false;
bool processed = false;
 
void worker_thread()
{
    // Wait until main() sends data
    std::unique_lock lk(m);
    cv.wait(lk, []{ return ready; });
 
    // after the wait, we own the lock.
    std::cout << "Worker thread is processing data\n";
    data += " after processing";
 
    // Send data back to main()
    processed = true;
    std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
 
    // Manual unlocking is done before notifying, to avoid waking up
    // the waiting thread only to block again (see notify_one for details)
    lk.unlock();
    cv.notify_one();
}
 
int main()
{
    std::thread worker(worker_thread);
 
    data = "Example data";
    // send data to the worker thread
    {
        std::lock_guard lk(m);
        ready = true;
        std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
    }
    cv.notify_one();
 
    // wait for the worker
    {
        std::unique_lock lk(m);
        cv.wait(lk, []{ return processed; });
    }
    std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
 
    worker.join();
}

我们依样画葫芦：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <unistd.h>
using namespace std;
//全局条件变量
condition_variable cond;
mutex _mutex;
bool ready = false;
bool processed = false;

int count = 0;

void fun1(){
    while(1)
    {
        count++;
        unique_lock<mutex> lock1(_mutex);
        if(count%5 == 0)
        {
            ready = true;
            processed = false;
            lock1.unlock();
            cond.notify_one();
            lock1.lock();
            cond.wait(lock1, []{ return processed; });
        }
        else
        {
            cout<<"this is fun1,count="<<count<<endl;
        }
        lock1.unlock();
    }
}

void fun2()
{
    while(1)
    {
        unique_lock<mutex> lock1(_mutex);
        cond.wait(lock1, []{ return ready; });
        cout<<"this is fun2,count="<<count<<endl;
        processed = true;
        ready = false;
        lock1.unlock();
        cond.notify_one();
    }
}

int main()
{
    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

结果符合预期，感兴趣的读者可以到处插入sleep测试一下。

啰嗦几句多线程程序的测试

多线程程序架构设计很重要，因为它很难测试，很难穷尽负面测试用例。几种可行的测试办法：

1. 随机加sleep。需要改程序。参考上面。
2. GDB调试。模拟和正常运行不同的调度策略。参考《GDB调试技巧实战--多线程&弱鸡条件变量-CSDN博客》
3. strace、bpftrace、bcc把快速运行的程序降慢。目的是降低一个线程的速度，另一个保持原来的速度或者也降低。原来两者都是100迈前进，那一个100另一个50会不会出问题？或者10 20哪？组合就很多了。