2. condition_variable 如何实现事件驱动

核心是：等待线程在内核里睡眠，不占用 CPU；通知线程把它唤醒。 等待期间，这个线程从调度器的运行队列里摘掉，完全不会被调度。条件满足后由通知方把它放回运行队列。这就是"事件驱动"，与之相对的"轮询"是线程自己反复醒来检查条件。

方式 等待期间 CPU 响应延迟
忙等 while (!ready); 占满一个核 最低
睡眠轮询 while (!ready) sleep(10ms); 周期性醒来 最多多等一个轮询周期
condition_variable 0 一次唤醒的开销（系统调用加调度，微秒级）

用法

std::mutex m;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

// 等待方
std::unique_lock lk(m);
cv.wait(lk, [] { return ready; });     // 等价于 while (!ready) cv.wait(lk);

// 通知方
{ std::lock_guard lk(m); ready = true; }
cv.notify_one();

底层实现：Linux 上是 futex

libstdc++ 的 std::condition_variable 封装的是 pthread_cond_t，glibc 用 futex 实现它。futex 有两个操作：

  • futex_wait(addr, expected)：内核在锁住等待队列后检查 *addr == expected，相等才睡，不等就立即返回。
  • futex_wake(addr, n)：唤醒在 addr 上睡眠的最多 n 个线程。

关键难点：唤醒丢失。 wait 要做两件事：释放 mutex，然后睡眠。如果通知恰好发生在这两步之间，等待方就会错过通知，永远睡下去。

futex 的"相等才睡"语义正好能解决这个问题。条件变量内部有一个序号，每次通知都会把它加一：

等待线程                                   通知线程
lock(m)
检查 ready == false
seq0 = cond.seq        ← 持锁时记下序号
unlock(m)
                                           lock(m); ready = true; unlock(m)
                                           cond.seq++; futex_wake(&cond.seq)  ← 这时还没人在睡
futex_wait(&cond.seq, seq0)
  内核检查：seq != seq0 → 立即返回，不睡   ← 通知没有丢
lock(m)，再次检查 ready == true，wait 返回

序号在释放 mutex 之前就读好了。所以无论通知落在哪个时间点，要么等待方还没睡、futex_wait 发现序号变了直接返回，要么等待方已经睡着、被 futex_wake 叫醒。两种情况都不会丢通知。

内核这边：

  • futex_wait 把线程挂到按地址哈希的等待队列上，把线程状态设为睡眠，然后调用 schedule() 让出 CPU。
  • futex_wake 找到对应队列，把线程放回运行队列。

为什么必须用 mutex 加 while 循环

  • mutex：保护条件本身（ready），保证"检查条件然后睡"和"修改条件然后通知"这两组操作不会交错。
  • while 循环（或带谓词的 wait）：被唤醒不代表条件一定成立，有两种情况：
    • 虚假唤醒：futex 可能因为信号等原因提前返回。
    • 被抢先：notify_one 唤醒了你，但在你重新拿到 mutex 之前，另一个线程已经把条件消费掉了。

实现细节

  • glibc 2.25 起的真实实现更复杂：用 64 位的 __wseq 和两组等待者（G1/G2），保证不会唤醒"通知之后才开始等待"的线程。核心仍然是上面的"比较后再睡"。
  • 没有等待者时，notify_one 只在用户态检查一下计数就返回，不进内核。
  • 在锁外 notify 可以避免一个问题：被唤醒的线程马上又因为拿不到 mutex 而阻塞。在锁内或锁外 notify 都是正确的。
  • C++20 的 std::atomic<T>::wait/notify 直接建立在 futex 上，比条件变量更轻，适合"等某个原子变量变化"的简单场景。

上面的 futex 调用序列和 glibc 实现细节来自源码知识，这次没有实测。要看实际的系统调用，可以在 dev 上 strace 一个生产者-消费者程序，能看到 futex(..., FUTEX_WAIT_BITSET_PRIVATE, ...) 和 FUTEX_WAKE_PRIVATE 成对出现。