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如果先决条件尚未完成处理,如何让线程等待,并在先决条件完成后恢复?

在多线程编程中,当一个线程需要等待某个先决条件完成时,通常会使用同步机制来确保线程安全和正确的执行顺序。以下是一些常见的方法和技术:

1. 互斥锁(Mutex)

互斥锁是一种同步原语,用于保护共享资源,防止多个线程同时访问。当一个线程获得锁时,其他试图获得该锁的线程将被阻塞,直到锁被释放。

示例代码(C++):

代码语言:txt
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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;
bool ready = false;

void worker_thread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    while (!ready) {
        lock.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        lock.lock();
    }
    // 先决条件已满足,继续执行
    std::cout << "Worker thread is processing data...\n";
}

void main_thread() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    std::cout << "Main thread signals data ready.\n";
}

int main() {
    std::thread worker(worker_thread);
    main_thread();
    worker.join();
    return 0;
}

2. 条件变量(Condition Variable)

条件变量允许线程在某个条件为真之前一直等待。当条件满足时,另一个线程可以通知等待的线程继续执行。

示例代码(C++):

代码语言:txt
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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

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

void worker_thread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; });
    // 先决条件已满足,继续执行
    std::cout << "Worker thread is processing data...\n";
}

void main_thread() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    std::cout << "Main thread signals data ready.\n";
}

int main() {
    std::thread worker(worker_thread);
    main_thread();
    worker.join();
    return 0;
}

3. 信号量(Semaphore)

信号量是一种计数器,用于控制多个线程对共享资源的访问。当计数器为零时,试图获取信号量的线程将被阻塞。

示例代码(Python):

代码语言:txt
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import threading
import time

semaphore = threading.Semaphore(0)
ready = False

def worker():
    semaphore.acquire()
    print("Worker thread is processing data...")

def main():
    global ready
    time.sleep(1)
    ready = True
    print("Main thread signals data ready.")
    semaphore.release()

t = threading.Thread(target=worker)
t.start()
main()
t.join()

4. Future 和 Promise

在某些编程语言中,如Java和C++11,可以使用Future和Promise来处理异步操作的结果。Future表示一个可能还没有完成的异步操作的结果,而Promise用于设置这个结果。

示例代码(Java):

代码语言:txt
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import java.util.concurrent.*;

public class AsyncExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<String> future = executor.submit(() -> {
            Thread.sleep(1000);
            return "Data is ready";
        });

        System.out.println("Main thread waiting for data...");
        String result = future.get();
        System.out.println(result);
        executor.shutdown();
    }
}

应用场景

  • 生产者-消费者问题:生产者线程生成数据,消费者线程等待并处理数据。
  • 多线程任务依赖:一个任务的执行依赖于另一个任务的结果。
  • 资源初始化:在资源完全初始化之前,其他线程需要等待。

遇到的问题及解决方法

  • 死锁:当两个或多个线程互相等待对方释放资源时,会发生死锁。解决方法是确保锁的获取顺序一致,或使用超时机制。
  • 活锁:线程不断改变状态以尝试解决冲突,但没有任何进展。解决方法是引入随机性或回退策略。
  • 性能问题:过多的同步可能导致性能下降。解决方法是减少锁的粒度,使用无锁数据结构,或采用读写锁。

通过以上方法和示例代码,可以实现线程在先决条件未完成时的等待,并在条件满足后恢复执行。

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