std::condition_variable 是 C++ 标准库（C++11 及以上）中用于多线程同步的机制，主要用于线程间的等待-通知交互。它通常与互斥锁（std::mutex）配合使用，允许线程在某个条件未满足时进入阻塞状态，待条件满足后由其他线程唤醒，从而避免无效的忙等（busy waiting），提高程序效率。

核心作用

解决多线程环境中“线程需要等待某个条件成立才能继续执行”的场景。例如：

• 生产者-消费者模型：消费者等待生产者生成数据后再处理；
• 线程池：工作线程等待任务队列中有新任务时再执行。

常用成员函数

std::condition_variable 定义在 <condition_variable> 头文件中，核心函数包括：

1. wait(unique_lock<mutex>& lock)
   使当前线程进入阻塞状态，同时释放所持有的互斥锁（允许其他线程获取锁）。当线程被唤醒时，会重新获取锁并继续执行。

2. wait(unique_lock<mutex>& lock, Predicate pred)
   带条件的等待。等价于：

   while (!pred()) {
       wait(lock);  // 循环检查条件，处理"虚假唤醒"
   }
   

3. notify_one()
   随机唤醒一个正在等待当前 condition_variable 的线程。

4. notify_all()
   唤醒所有正在等待当前 condition_variable 的线程。

关键概念：虚假唤醒（Spurious Wakeups）

操作系统可能在无明确通知的情况下唤醒等待的线程（例如系统调度原因），这种情况称为“虚假唤醒”。因此，必须在唤醒后重新检查条件，通常通过循环实现（这也是带 Predicate 的 wait 重载的意义）。

使用示例：生产者-消费者模型

下面是一个简单的示例，展示如何用 std::condition_variable 协调生产者（生产数据）和消费者（消费数据）：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

std::queue<int> data_queue;  // 共享数据队列
std::mutex mtx;              // 保护队列的互斥锁
std::condition_variable cv;  // 条件变量，用于通知

// 生产者：生成数据并放入队列
void producer() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);  // 加锁
        data_queue.push(i);                      // 生产数据
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        lock.unlock();  // 可选：提前解锁（notify_one不需要持有锁）
        cv.notify_one(); // 通知一个等待的消费者
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 模拟耗时
    }
}

// 消费者：从队列中取数据并处理
void consumer() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);  // 加锁
        
        // 等待条件：队列非空（处理虚假唤醒）
        cv.wait(lock, []{ return !data_queue.empty(); });
        
        // 消费数据
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumed: " << data << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread prod(producer);
    std::thread cons(consumer);
    
    prod.join();
    cons.join();
    return 0;
}

输出（顺序可能因调度略有不同）：

Produced: 0
Consumed: 0
Produced: 1
Consumed: 1
Produced: 2
Consumed: 2
Produced: 3
Consumed: 3
Produced: 4
Consumed: 4

注意事项

1. 必须与 std::unique_lock 配合：wait 函数要求传入 std::unique_lock<std::mutex>，因为它需要在等待时释放锁，唤醒时重新获取锁（std::lock_guard 不支持手动释放锁）。

2. 避免死锁：通知线程（notify_one/notify_all）不需要持有锁，但等待线程必须在持有锁的情况下调用 wait。

3. 明确条件范围：条件变量本身不存储条件状态，条件通常是基于共享数据的（如示例中的队列是否为空），需通过互斥锁保护。

4. notify_one vs notify_all：

   • 只需一个线程处理时用 notify_one（更高效）；
   • 所有等待线程都需处理时用 notify_all（如全局状态更新）。

std::condition_variable 是多线程同步的核心工具之一，合理使用可有效解决线程间的协作问题，避免资源竞争和无效等待。