pthread_cond_wait需要互斥锁mutex作为参数的原因：当前线程执行pthread_cond_wait时，一定是处于某个临界区，正在访问共享资源，存在一个mutex与该临界区相关联。因此，在阻塞前，必须释放mutex；被唤醒后，需要再次获得mutex。
一、pthread_cond_wait需要互斥锁mutex作为参数的原因
pthread_cond_wait() 是 POSIX 线程库中的一个条件变量操作函数，它会等待条件变量的信号并使线程进入睡眠状态。
通常的应用场景下，当前线程执行pthread_cond_wait时，处于临界区访问共享资源，存在一个mutex与该临界区相关联，这是理解pthread_cond_wait带有mutex参数的关键。当前线程执行pthread_cond_wait前，已经获得了和临界区相关联的mutex；执行pthread_cond_wait会阻塞，但是在进入阻塞状态前，必须释放已经获得的mutex，让其它线程能够进入临界区。当前线程执行pthread_cond_wait后，阻塞等待的条件满足，条件满足时会被唤醒；被唤醒后，仍然处于临界区，因此被唤醒后必须再次获得和临界区相关联的mutex。
综上，调用pthread_cond_wait时，线程总是位于某个临界区，该临界区与mutex相关，pthread_cond_wait需要带有一个参数mutex，用于释放和再次获取mutex。
二、使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题
接下来通过一个具体的应用场景来说明，为什么pthread_cond_wait需要一个看似多余的mutex参数。
1、生产者和消费者问题
存在一个共享缓冲区，生产者向共享缓冲区写入数据，消费者从共享缓冲区中读取数据。生产者和消费者存在同步关系：当共享缓冲区为满时，生产者需要等待，等待消费者从共享缓冲区取走数据；当共享缓冲区为空时，消费者需要等待，等待生产者向共享缓冲区中写入数据。
使用环形队列实现共享缓冲区，数据结构如下：
#define CAPACITY 8 // 缓冲区的最大容量
int buffer[CAPACITY]; // 缓冲区数组
int in; // 缓冲区的写指针
int out; // 缓冲区的读指针
int size; // 缓冲区中的数据个数缓冲区的相关代码如下：
void buffer_init()
{
in = 0;
out = 0;
size = 0;
}
// 判断缓冲区是否为空
int buffer_is_empty()
{
return size == 0;
}
// 判断缓冲区是否为满
int buffer_is_full()
{
return size == CAPACITY;
}
// 向缓冲区中追加一个数据
void buffer_put(int item)
{
buffer[in] = item;
in = (in + 1) % CAPACITY;
size++;
}
// 从缓冲区中取走一个数据
int buffer_get()
{
int item;
item = buffer[out];
out = (out + 1) % CAPACITY;
size--;
return item;
}如果存在多个生产者和多个消费者，变量in、out和size会被它们共享访问，因此生产者和消费者还存在互斥关系：
- 当某个生产者执行buffer_is_full、buffer_put时，访问了变量in、out和size，只能允许该生产者独占访问这三个变量，禁止其他生产者和消费者访问这些共享变量。
- 当某个消费者执行buffer_is_empty、buffer_get时，访问了变量in、out和size，只能允许该消费者独占访问这三个变量，禁止其他生产者和消费者访问这些共享变量。
2、使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题（名列前茅版）
下面我们尝试使用没有mutex参数的pthread_cond_wait来模拟生产者消费者，假想中没有mutex参数的pthread_cond_wait原型如下：
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond);pthread_cond_wait(cond)的功能非常简单，仅仅阻塞当前线程。在生产者消费者这个应用场景中，很快就能发现pthread_cond_wait(cond)的问题。
使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题的代码如下：
// 生产者线程执行的流程
void producer_loop()
{
int i;
// 生产CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为满时，生产者需要等待
while (buffer_is_full()) {
// 当前线程已经持有了mutex，调用pthread_cond_wait阻塞，必然导致死锁
pthread_cond_wait(&cond);
}
// 此时，缓冲区肯定不是满的，向缓冲区写数据
buffer_put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}
// 消费者线程执行的流程
void consumer_loop()
{
int i;
// 消费CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为空时，消费者需要等待
while (buffer_is_empty()) {
// 当前线程已经持有了mutex，调用pthread_cond_wait阻塞，必然导致死锁
pthread_cond_wait(&cond);
}
// 此时，缓冲区肯定不是空的，从缓冲区取数据
int item = buffer_get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}以上程序存在一个会导致死锁的严重错误，以生产者为例：
- 当前缓冲区已经满了，生产者运行，首先获取mutex
- 然后检测buffer_is_full为真，生产者无法放入数据
- 调用pthread_cond_wait，该生产者进入阻塞状态，等待被消费者唤醒
- 消费者试图获取mutex，由于mutex已经被占用了，消费者将进入阻塞状态
- 生产者和消费者均进入阻塞状态，系统死锁
3、使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题（第二版）
为了解决死锁的问题，需要对上一节的程序进行如下改进：
- 调用线程调用pthread_cond_wait(cond)前，已经持有了mutex
- 执行pthread_cond_wait(cond)前，调用pthread_unlock(mutex)释放mutex
- 执行pthread_cond_wait(cond)后，调用pthread_lock(mutex)再次获得mutex
// 生产者线程执行的流程
void producer_loop()
{
int i;
// 生产CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为满时，生产者需要等待
while (buffer_is_full()) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
// 此时，缓冲区肯定不是满的，向缓冲区写数据
buffer_put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}
// 消费者线程执行的流程
void consumer_loop()
{
int i;
// 消费CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为空时，消费者需要等待
while (buffer_is_empty()) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
// 此时，缓冲区肯定不是空的，从缓冲区取数据
int item = buffer_get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}这里解释一下为什么线程调用pthread_cond_wait返回后，需要再次调用pthread_mutex_lock获取锁。以生产者为例，以下为生产者向buffer中追加数据的代码段：
// 生产者向buffer中追加数据
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (buffer_is_full()) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
buffer_put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);在上面这段代码中，生产者线程会调用buffer_is_full和buffer_put，访问共享变量in、out和size。必须保证线程以独占的方式访问这些共享变量，即线程在调用buffer_is_full和buffer_put前必须持有锁。线程从pthread_cond_wait返回后，调用pthread_mutex_lock再次获得锁，然后执行语句while (buffer_is_full())时，因为已经拥有了锁，所以通过buffer_is_full访问共享变量是安全的。
4、使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题
在上一个版本的程序中，生产者和消费者中存在如下代码段：
// 先释放mutex、再阻塞、最后再次获取mutex
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);从这个应用场景来看，pthread_cond_wait被设计为带有mutex参数，用一次函数调用pthread_cond_wait(cond, mtex)即可实现以上三条语句的功能。
使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题的代码如下：
// 生产者线程执行的流程
void producer_loop()
{
int i;
// 生产CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为满时，生产者需要等待
while (buffer_is_full()) {
// 当前线程已经持有了mutex，首先释放mutex，然后阻塞，醒来后再次获取mutex
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 此时，缓冲区肯定不是满的，向缓冲区写数据
buffer_put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}
// 消费者线程执行的流程
void consumer_loop()
{
int i;
// 消费CAPACITY*2个数据
for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 当缓冲区为空时，消费者需要等待
while (buffer_is_empty()) {
// 当前线程已经持有了mutex，首先释放mutex，然后阻塞，醒来后再次获取mutex
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 此时，缓冲区肯定不是空的，从缓冲区取数据
int item = buffer_get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 缓冲区的状态发生了变化，唤醒其它的生产者或消费者
pthread_cond_signal(&cond);
}
}延伸阅读1：pthread_cond_wait()函数简介
pthread_cond_wait() 用于阻塞当前线程，等待别的线程使用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast来唤醒它。 pthread_cond_wait() 必须与pthread_mutex配套使用。pthread_cond_wait()函数一进入wait状态就会自动release mutex。当其他线程通过pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast，把该线程唤醒，使pthread_cond_wait()通过（返回）时，该线程又自动获得该mutex。
一站式研发项目管理平台 PingCode
支持敏捷\瀑布、知识库、迭代计划&跟踪、需求、缺陷、测试管理，同时满足非研发团队的流程规划、项目管理和在线办公需要。
