面试题：如何解决 C++ 中条件变量的信号丢失和虚假唤醒问题？

在 C++ 中，条件变量（std::condition_variable）是多线程编程中常用的同步机制，用于线程间的通信。然而，使用条件变量时可能会遇到 信号丢失 和 虚假唤醒 的问题。以下是这些问题的原因以及解决方法。

1. 信号丢失问题

问题描述：

当一个线程在调用 condition_variable::wait() 之前，另一个线程已经调用了 condition_variable::notify_one() 或 notify_all()，那么等待的线程可能会错过这个信号，导致它一直阻塞。

解决方法：

使用谓词（Predicate）：
在调用 wait() 时，传入一个谓词（通常是一个 lambda 表达式或函数），用于检查条件是否满足。wait() 会在唤醒后自动检查谓词，如果条件不满足，它会继续等待。

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

void waitForReady() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; }); // 使用谓词避免信号丢失
    // 继续执行
}

void setReady() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_one(); // 发送信号
}

2. 虚假唤醒问题

问题描述：

即使没有线程调用 notify_one() 或 notify_all()，等待的线程也可能被唤醒。这种现象称为 虚假唤醒（Spurious Wakeup）。虚假唤醒是操作系统或底层实现的行为，无法完全避免。

解决方法：

使用循环检查条件：
在 wait() 返回后，使用一个循环重新检查条件是否满足。如果条件不满足，继续调用 wait()。
使用带谓词的 wait()：
如前所述，wait() 的带谓词版本已经内置了循环检查机制，因此直接使用带谓词的 wait() 是最简洁的解决方案。

3. 完整示例

以下是一个完整的示例，展示了如何避免信号丢失和虚假唤醒：

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

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

void workerThread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return ready; }); // 使用谓词避免信号丢失和虚假唤醒
    std::cout << "Worker thread is processing data." << std::endl;
}

void mainThread() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟一些工作
    {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one(); // 通知等待的线程
}

int main() {
    std::thread worker(workerThread);
    std::thread main(mainThread);

    worker.join();
    main.join();

    return 0;
}