pthread_cond 條件變量詳解與線程池雛形

條件變量 vs 互斥鎖

核心 API

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex);
// 原子操作：解鎖 mutex + 進入等待隊列；被喚醒後重新加鎖

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex,
                           const struct timespec* abstime);
// 帶超時版本

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);   // 喚醒至少一個等待線程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond); // 喚醒所有等待線程

經典模式：生產者-消費者 / 線程池雛形

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int val = 0;

void* zero_thread(void*) {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (val <= 2) {                 // 雙重檢查模式
            printf("zero wait val=%d\n", val);
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        printf("zero reset val=%d\n", val);
        val = 0;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

void* add_thread(void*) {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        ++val;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_cond_signal(&cond);        // 喚醒一個 zero_thread
        printf("add val=%d, signalled\n", val);
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t t_add, t_zero;
    pthread_create(&t_add, NULL, add_thread, NULL);
    pthread_create(&t_zero, NULL, zero_thread, NULL);
    pthread_join(t_add, NULL);
    pthread_join(t_zero, NULL);
    return 0;
}

運行輸出片段

add val=1, signalled
zero wait val=1
add val=2, signalled
zero wait val=2
add val=3, signalled
zero reset val=3
zero wait val=0
add val=1, signalled
...

關鍵細節

1. while 而非 if 檢查條件：防止虛假喚醒，確保條件真正滿足再繼續。
2. pthread_cond_wait 自動解鎖/加鎖：調用時必須持有鎖，返回時仍持有鎖。
3. signal vs broadcast：單消費者用 signal，多消費者或條件廣播用 broadcast。
4. 超時處理：timedwait 返回 ETIMEDOUT，需重新檢查條件。

擴展到線程池

• 任務隊列 + 條件變量 not_empty / not_full。
• 工作線程 wait(not_empty)，主線程 push + signal(not_empty)。
• 優雅關閉：設置 shutdown 標誌，broadcast(not_empty) 喚醒所有線程退出。

總結

pthread_cond 是「等待-通知」模式的核心原語。配合互斥鎖保護共享狀態，配合 while 循環檢查條件，能構建高效、正確的線程協作系統（生產者-消費者、線程池、屏障、信號量等）。