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条件变量

MorseWayne2025/9/16...大约 2 分钟Rust

条件变量（Condvar）

作用与原理

条件变量（Condvar, Condition Variable）是一种线程同步机制，用于让线程在等待特定条件满足时阻塞自己，直到被其他线程通知醒来。Rust 标准库提供了 std::sync::Condvar，它通常与 Mutex 结合使用：线程在持有互斥锁时检查条件，如果不满足则通过 Condvar 等待，同时释放锁以允许其他线程修改状态。

Condvar 的核心是“等待-通知”模型，避免了线程忙等待（轮询），从而节省 CPU 资源。通知可以是针对单个线程（notify_one）或所有等待线程（notify_all）。

典型使用场景

  • 生产者-消费者模型中，消费者等待队列非空。
  • 线程等待特定事件或状态变化（如资源可用）。
  • 实现自定义同步结构，如信号量或屏障。

代码示例

以下是一个简单的生产者-消费者示例，使用 Condvar 结合 Mutex 实现队列非空等待：

use std::sync::{Arc, Condvar, Mutex};
use std::thread;

fn main() {
    let pair = Arc::new((Mutex::new(false), Condvar::new()));  // (状态锁, 条件变量)
    let pair_clone = Arc::clone(&pair);

    // 消费者线程
    thread::spawn(move || {
        let (lock, cvar) = &*pair_clone;
        let mut started = lock.lock().unwrap();

        while !*started {
            started = cvar.wait(started).unwrap();  // 等待通知，同时释放锁
        }

        println!("消费者收到通知，状态已改变！");
    });

    // 生产者线程（主线程）
    let (lock, cvar) = &*pair;
    let mut started = lock.lock().unwrap();
    *started = true;  // 修改状态
    cvar.notify_one();  // 通知一个等待线程

    thread::sleep(std::time::Duration::from_secs(1));  // 等待消费者执行
}

说明：

  • wait()：阻塞当前线程，释放关联的 Mutex，直到被通知。返回时重新获取锁。
  • notify_one()：唤醒一个等待的线程。
  • notify_all()：唤醒所有等待的线程。
  • Condvar 必须与 Mutex 配对使用，以确保条件检查的原子性。

另一个示例：使用 notify_all() 通知多个消费者。

// ... 类似以上设置
cvar.notify_all();  // 通知所有等待线程

注意事项

  • 虚假唤醒：wait() 可能因系统原因被虚假唤醒，因此需要在循环中检查条件（while 循环）。
  • 与 Mutex 的结合：Condvar 不管理锁，必须手动处理 Mutex 的获取和释放。
  • 性能：Condvar 适合低频通知场景；高频时可能不如通道高效。
  • 错误处理：如果 Mutex 被毒化（poisoned），wait() 会返回错误。

小结

条件变量是 Rust 中实现线程等待和通知的强大工具，与 Mutex 结合能高效处理条件依赖的同步场景。它避免了忙等待，提高了程序的效率，适用于各种事件驱动的并发模型。

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