1.背景概念
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;
struct customer
{pthread_t tid;string name;
};
int g_tickets = 1000;
//定义一个全局变量的锁，保证所有线程都用同一个锁
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *GetTicket(void *args)
{customer *c = (customer *)args;while (true){pthread_mutex_lock(&g_mutex); //加锁if (g_tickets > 0){usleep(1000);cout << c->name << " is getting a ticket " << g_tickets << endl;g_tickets--;pthread_mutex_unlock(&g_mutex); //解锁}else{pthread_mutex_unlock(&g_mutex); //解锁break;}}return nullptr;
}int main()
{vector<customer> custs(5);for (int i = 0; i < 5; i++){custs[i].name = "customer-" + to_string(i + 1);pthread_create(&custs[i].tid, nullptr, GetTicket, &custs[i]);}for (int i = 0; i < 5; i++){pthread_join(custs[i].tid, nullptr);}return 0;
}
例如上诉的抢票系统中，我们有5个线程来共享临界资源 g_tickets,为了保证临界资源的原子性，我们对其采用了锁。执行之后出现如下情况：
我们发现都是一个线程抢到票，即都是同一个线程占用了锁，这是因为线程在占用锁的时候，是不受控制的，这就有可能导致一个竞争能力强的线程，从头到尾都占用一个锁。为了总是避免一个线程占用锁，于是出现了线程同步的概念。
在Linux中，线程同步是指多个线程在执行过程中，通过一些机制来协调它们对数据和资源的访问，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，以避免竞态条件、数据不一致和饥饿等问题。线程同步可以通过多种方式实现，包括互斥锁、条件变量、读写锁和信号量等。
2.条件变量
条件变量是一种同步机制，它允许一个或多个线程在某个条件不满足时阻塞，并在条件满足时被唤醒。条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保线程安全。在多线程编程中，条件变量用于协调线程之间的执行顺序，特别是在生产者-消费者问题、读者-写者问题等场景中非常有用。
条件变量的类型为 pthread_cond_t,与互斥量类型 pthread_mutex_t 相似。
创建条件变量
方法一，宏定义全局条件变量
pthread_cond_t xxx = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
全局的条件变量必须用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER进行初始化，并且不需要手动销毁。
方法二，使用 pthread_cond_init 函数
int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond, const pthread_condattr_t * attr);
参数：
cond：指向条件变量的指针，该变量在函数调用后将被初始化为条件变量。attr：指向条件变量属性的指针，用于设置条件变量的属性。如果传递NULL，则使用默认属性。
返回值：函数成功返回0，失败则返回错误码
等待条件变量
我们要想让线程按一定顺序访问临界资源，就需要对这些线程进行排队，而这时我们就用到了队列来一个一个排队访问。
如上图有三个线程thread-1，thread-2，thread-3，这三个线程争夺一个临界资源。
thread-1申请到了锁mutex，但是由于我们给这个临界资源添加了条件变量，此时thread-1不能直接访问临界资源，而是进入等待队列，并且释放持有的锁：
由于锁被释放，后续线程可以继续申请这个锁。于是thread-2和thread-3也分别申请到了mutex，通过相同的方式进入了等待队列：
现在所有线程都在等待队列中，这些线程因为没有满足特定条件，所以不能访问临界资源。但是为什么要进等待队列呢？
因为要保证线程同步，也就是说，一开始谁先申请到锁访问临界资源，那么后续条件满足时，就让谁先来访问这个资源。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);参数：
cond：指向条件变量的指针。mutex：指向互斥锁的指针，该互斥锁在调用pthread_cond_wait之前必须由当前线程持有的，而后线程释放该锁，从而让其他线程也可以申请锁，进入等待队列。
返回值：函数成功返回0，失败则返回错误码。
pthread_cond_wait函数的工作原理是将当前线程放入条件变量cond的等待队列中，并自动释放mutex互斥锁。
唤醒等待线程
线程进入等待队列进行排队后需要被唤醒，于是我们会使用如下函数
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);- cond: 指向条件变量的指针，说明要唤醒哪一个条件变量下等待的一个线程。
- 返回值: 函数返回 0 表示成功，非零值表示出错。
当一个线程调用 pthread_cond_wait 并因此进入等待状态时，它会释放与其关联的互斥锁，并等待条件变量被信号化。pthread_cond_signal 的作用是唤醒一个等待该条件变量的线程，这些线程随后可以尝试重新获取互斥锁，并继续执行。
比如刚刚三个线程都进入了等待队列：
当使用pthread_cond_signal唤醒一个线程时：线程重新获得之前释放的锁mutex，随后访问临界区代码。
当后续条件再次满足，thread-2和thread-3也会依次再次获得锁，从而访问到临时资源。
假设现在thread-1访问完毕临界资源后，立马再次申请了锁：
由于条件变量的存在，therad-1不能直接访问资源，要去等待队列等待，此时thread-1进入等待队列尾部：
这样就可以避免一个线程一直占用临界资源，从而完成线程同步了。
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);- cond: 指向条件变量的指针，说明要唤醒哪一个条件变量下等待的所有线程。
- 返回值: 函数返回 0 表示成功，非零值表示出错。
还是刚才的三个线程都处于等待队列的情况：
当用pthread_cond_broadcast唤醒所有线程，此时所有被唤醒的线程再次竞争同一把锁，竞争到锁的线程才访问临界资源。当前一个线程访问完毕后，剩下的线程继续竞争，再访问临界资源。
销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);- cond: 指向条件变量的指针。
- 返回值: 如果函数成功销毁条件变量，返回 0；如果条件变量正在使用或已被销毁，返回非零值。
pthread_cond_destroy 函数用于销毁一个条件变量，释放与该条件变量相关联的资源。在调用 pthread_cond_destroy 之前，需要确保没有任何线程正在等待或正在使用该条件变量。如果条件变量正在被使用，或者有线程等待在该条件变量上，函数调用将失败，并返回错误码 EBUSY。
3.使用示例
我们对一开始所用的抢票代码进行优化，保证不同线程按一定顺序访问临界资源，防止出现饥饿问题。
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <vector>
#include <unistd.h>
using namespace std;
struct customer
{pthread_t tid;string name;
};
int g_tickets = 1000;
//定义一个全局变量的锁，保证所有线程都用同一个锁
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//定义一个全局条件变量
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void *GetTicket(void *args)
{customer *c = (customer *)args;while (true){pthread_mutex_lock(&g_mutex); //加锁if (g_tickets > 0){usleep(1000);cout << c->name << " is getting a ticket " << g_tickets << endl;g_tickets--;pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //进入等待对列等待条件变量pthread_mutex_unlock(&g_mutex); //解锁}else{pthread_mutex_unlock(&g_mutex); //解锁break;}}return nullptr;
}int main()
{vector<customer> custs(5);for (int i = 0; i < 5; i++){custs[i].name = "customer-" + to_string(i + 1);pthread_create(&custs[i].tid, nullptr, GetTicket, &custs[i]);}//唤醒线程while(g_tickets > 0){usleep(1000);pthread_cond_signal(&g_cond);}for (int i = 0; i < 5; i++){pthread_join(custs[i].tid, nullptr);}return 0;
}
这样就避免了都是同一个线程占用临界资源。
