来自知乎的pthread_cond_wait为什么总是带着mutex

来自https://www.zhihu.com/question/24116967?q=linux%20%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%20%E8%99%9A%E5%81%87%E5%94%A4%E9%86%92%20%E9%97%AE%E9%A2%98%3F%E6%88%91%E6%80%8E%E4%B9%88%E8%A7%A3%E9%87%8A%E4%B8%8D%E5%90%8C%E8%82%AF%E5%AE%9A%E5%93%AA%E9%87%8C%E4%B8%8D%E5%AF%B9%E4%BA%86

吴志强，还是喜欢在晚上写代码

——————更新，勘误——————

在原来的答案中，有这样的代码：

    pthread_mutex_unlock(mtx);
    pthread_cond_just_wait(cv);
    pthread_mutex_lock(mtx);

事实上，上面三行代码的并不是pthread_cond_wait(cv, mtx)的内联展开。其中第一行和第二行必须“原子化”，而第三行是可以分离出去的（之所以要把第三行放在里面的原因可以参见原来的答案）。

那么为什么第一行和第二行不能分离呢？这是因为必须得保证：如果线程A先进入wait函数（即使没有进入实际的等待状态，比如正在释放mtx），那么必须得保证其他线程在其之后调用的broadcast必须能够将线程A唤醒。

所以，把原来答案中的代码再贴一遍：

// 线程A，条件测试
pthread_mutex_lock(mtx);        // a1
while(pass == 0) {              // a2 
    pthread_mutex_unlock(mtx);  // a3
    pthread_cond_just_wait(cv); // a4
    pthread_mutex_lock(mtx);    // a5
}
pthread_mutex_unlock(mtx);

// 线程B，条件发生修改，对应的signal代码
pthread_mutex_lock(mtx);   // b1
pass = 1;                  // b2
pthread_mutex_unlock(mtx); // b3
pthread_cond_signal(cv);   // b4

如果执行序列是：a1, a2, a3, b1, b2, b3, b4, a4，那么线程A将不会被唤醒。而a3在线程B之前执行，这意味着wait函数是在signal之前调用的，所以不满足上文提到的保证。

解决办法：

先将线程附加到等待队列
释放mutex
进入等待

感兴趣的同学的可以看下源码（pthread_cond_wait.c），附加到等待队列这个操作是加锁的，所以可以保证之前发起的signal不会错误得唤醒本线程，而之后发起的signal必然唤醒本线程。

因此，下面的代码是绝对不会出错的：

// 线程A，条件测试
pthread_mutex_lock(mtx);        // a1
while(pass == 0) {              // a2 
    pthread_cond_wait(cv, mtx); // a3
}
pthread_mutex_unlock(mtx);      // a4

// 线程B，条件发生修改，对应的signal代码
pthread_mutex_lock(mtx);   // b1
pass = 1;                  // b2
pthread_mutex_unlock(mtx); // b3
pthread_cond_signal(cv);   // b4

如果线程A先运行，那么执行序列必然是：a1, a2, a3, b1, b2, b3, b4, a4。
如果线程B先运行，那么执行序列可能是：b1, b2, b3, b4, a1, a2, a4
也可能是：b1, b2, b3, a1, a2, a3, b4, a4

所以，如果是我设计pthread API，那么我会添加一个pthread_cond_unlock_and_wait函数，伪代码如下：

int pthread_cond_wait(cv, mtx) {
    int ret = pthread_cond_unlock_and_wait(cv, mtx);
    pthread_mutex_lock(mtx);
    return ret;
}

// 线程A，条件测试
pthread_mutex_lock(mtx);
if (pass == 0)
    pthread_cond_unlock_and_wait(cv, mtx);
else
    pthread_mutex_unlock(mtx);

// 线程B，条件发生修改，对应的signal代码
pthread_mutex_lock(mtx);   // b1
pass = 1;                  // b2
pthread_mutex_unlock(mtx); // b3
pthread_cond_signal(cv);   // b4

这样的好处在于：如果我们可以保证没有虚假唤醒（即不需要while循环测试条件），那么我们可以将线程A的代码改成上述形式，这样无论怎样都只需要执行一次pthread_mutex_unlock()函数，而之前的版本至少需要执行两次。

—————— 原来的答案——————

感谢大家的回答！
看了之后，我获得了启发，突然觉得这或许是跟条件变量的通常用法有关。

首先需要明白两点：

wait()操作通常伴随着条件检测，如：

while(pass == 0)
    pthread_cond_wait(...);

signal*()函数通常伴随着条件改变，如：
```
pass = 1;
pthread_cond_signal(...)
```

由于此两处都涉及到变量pass，所以为了防止Race Condition，必须得加锁。所以代码会变成下面这样：

// 条件测试
pthread_mutex_lock(mtx);
while(pass == 0)
    pthread_cond_wait(...);
pthread_mutex_unlock(mtx);

// 条件发生修改，对应的signal代码
pthread_mutex_lock(mtx);
pass = 1;
pthread_mutex_unlock(mtx);
pthread_cond_signal(...);

然后，我们假设wait()操作不会自动释放、获取锁，那么代码会变成这样：

// 条件测试
pthread_mutex_lock(mtx);
while(pass == 0) {
    pthread_mutex_unlock(mtx);
    pthread_cond_just_wait(cv);
    pthread_mutex_lock(mtx);
}
pthread_mutex_unlock(mtx);

// 条件发生修改，对应的signal代码
pthread_mutex_lock(mtx);
pass = 1;
pthread_mutex_unlock(mtx);
pthread_cond_signal(cv);

久而久之，程序员发现unlock, just_wait, lock这三个操作始终得在一起。于是就提供了一个pthread_cond_wait()函数来同时完成这三个函数。

另外一个证据是，signal()函数是不需要传递mutex参数的，所以关于mutex参数是用于同步wait()和signal()函数的说法更加站不住脚。

所以我的结论是：传递的mutex并不是为了防止wait()函数内部的Race Condition！而是因为调用wait()之前你总是获得了某个mutex（例如用于解决此处pass变量的Race Condition的mutex），并且这个mutex在你调用wait()之前必须得释放掉，调用wait()之后必须得重新获取。

所以，pthread_cond_wait()函数不是一个细粒度的函数，却是一个实用的函数。