移除task++的lock_guard为何导致std::condition_variable wait_for超时？

问题描述 #

学习std::condition_variable时编写了测试代码，移除worker_thread2中task++的std::lock_guard后出现wait_for超时情况，有以下疑问：

• 如果wait执行前线程2已完成task++并调用notify，是否会引发丢失唤醒问题？
• 是否必须给task++和cv.notify_all()加锁才能解决该问题？但看到示例中是先解锁再调用notify_all，说是为了避免等待线程再次阻塞，这里有点困惑。
• wait_for的具体执行流程是什么？收到通知后是唤醒加锁再检查条件吗？

测试代码 #

std::mutex m;
std::condition_variable cv;
int task = 0;
void worker_thread2()
{
    {
         // std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        task++;
    }
    cv.notify_all();
    LOG("notify_all");
}
int main()
{
    std::thread worker(worker_thread2);
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait_for(lk, std::chrono::milliseconds(5000), [&]{
            if (task == 1) {
                LOG("1111111");
                return true;
            } else {
                LOG("0000000");
                return false;
            }
        });
    }
    std::string m = "Back in main(), data = " + std::to_string(task);
    LOG(m);
    worker.join();
}

运行结果 #

D:\code\c++11\condition_variable\cmake-build-debug\condition_variable.exe
2023-6-8 20:37:15.208  00000002023-6-8 20:37:15.208  notify_all

2023-6-8 20:37:20.210  1111111
2023-6-8 20:37:20.212  Back in main(), data = 1

Process finished with exit code 0

问题解答 #

1. 丢失唤醒的问题

肯定会出现丢失唤醒的情况。

比如执行顺序是：主线程还没进入wait_for，worker线程先跑完task++并调用notify_all，之后主线程才开始等待。这时条件变量的通知已经发出去了，但主线程还没开始监听，这个通知就直接丢失了。主线程会一直等超时，到时间后再次检查条件，发现task已经是1，才退出等待——这就是你看到运行结果里隔了5秒才输出1111111的原因。

2. 加锁的必要性

• 首先，task是多线程共享变量，task++不是原子操作，必须用锁保护，否则会出现数据竞争，属于未定义行为。
• 其次，为了避免丢失唤醒，必须保证检查条件和进入等待是原子操作。主线程检查task状态时必须持有锁，这样worker线程就没法在主线程检查完条件、还没进入等待的间隙修改task并发通知——从根源上堵死丢失唤醒的窗口。

至于示例里先解锁再调用notify_all，是性能优化：如果持有锁的时候发通知，被唤醒的线程会立刻尝试抢锁，但锁还在当前线程手里，唤醒的线程会再次阻塞，直到当前线程解锁。先解锁再发通知，能让被唤醒的线程直接拿到锁，减少一次上下文切换。但要注意，解锁和发通知之间不能有其他修改共享变量的操作，否则可能出问题。

回到你的代码，必须给task++加上锁，这是硬性要求。

3. wait_for的执行流程

结合你代码里带谓词的版本，完整流程是：

1. 传入的unique_lock必须是已加锁状态（你的代码满足这个前提）。
2. 立刻调用谓词检查条件：
   • 如果谓词返回true，直接返回，锁保持加锁状态。
   • 如果返回false，进入等待：
     a. 自动解锁unique_lock。
     b. 阻塞线程，等待通知或者超时。
3. 收到通知或超时后：
   a. 自动重新加锁unique_lock。
   b. 再次调用谓词检查条件：
   • 返回true则退出，锁保持加锁；返回false（比如超时或虚假唤醒）也退出，锁同样保持加锁。

一句话总结：加锁→检查条件→（不满足则）解锁等待→（唤醒/超时）重新加锁→再检查条件→退出。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Windows_Girl