多线程开发：wait、sleep、yield全解析

多线程开发中， wait()、sleep() 和 yield() 的正确使用对于控制线程行为、避免死锁、提升性能至关重要。

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1 What

简要介绍

方法	属于哪类	是否释放锁	作用
wait()	同步原语（条件变量）	✅ 释放锁	当前线程等待某个条件满足，挂起执行。
sleep()	时间控制	❌ 不释放锁	当前线程强制睡眠一段时间。
yield()	调度建议	❌ 不释放锁	当前线程主动让出 CPU，允许其他线程执行。

详细介绍

wait() — 条件等待（用于线程同步）

• std::condition_variable::wait()（C++11）
• Java 的 Object.wait() 也类似

行为：

• 线程在等待某个条件成立。
• 释放所持的互斥锁（mutex），进入阻塞状态。
• 条件满足后，被 notify_one() / notify_all() 唤醒，重新竞争锁并继续执行。

C++ 示例：

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

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 释放锁等待条件成立
    std::cout << "Condition met, working..." << std::endl;
}

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sleep() — 睡觉，定时挂起

• std::this_thread::sleep_for()
• std::this_thread::sleep_until()

行为：

• 当前线程被强制阻塞指定时间。
• 不会释放任何锁。
• 时间一到，线程进入就绪状态（可被调度）。

示例：

std::mutex mtx;

void worker() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << "Wake up after 2 seconds.\n";
}

🔺 注意：如果你在持锁状态下调用 sleep()，会让其它线程“饿死”或引发死锁。

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yield() — 自愿让出 CPU

• std::this_thread::yield()（C++11）
• 实际为对操作系统 sched_yield() 的封装

行为：

• 当前线程主动放弃 CPU 时间片。
• 线程回到就绪队列，允许其他同优先级线程执行。
• 不会阻塞、不休眠、不释放锁。

示例：

void busy_wait() {
    while (!ready) {
        std::this_thread::yield(); // 避免 CPU 忙等
    }
}

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2 区别以及建议

区别

特性	wait()	sleep()	yield()
阻塞线程？	✅ 是	✅ 是	❌ 否（可能暂停）
是否释放锁？	✅ 是（必须配合 mutex 使用）	❌ 否	❌ 否
唤醒条件	notify_one() / notify_all()	时间到	被 OS 再次调度
典型用途	线程间同步，条件等待	限制频率、延时模拟	忙等时避免 CPU 占用
所属 API	condition_variable / pthread_cond	std::this_thread::sleep_for()	std::this_thread::yield()

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应用场景建议

场景	推荐方法
等待某个状态改变	wait()
模拟延时 / 限速 / 轮询间隔	sleep()
忙等 / 自旋等待中降低 CPU 占用	yield()

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3 三者协作使用示例

验证目标：

• 主线程 sleep 控制节奏
• 子线程 yield 等待任务
• 条件变量 wait 同步工作

代码目标：

• 主线程每 1 秒产生一个任务。
• 工作线程使用 yield() 自旋检查是否有任务。
• 一旦任务准备好，工作线程使用 wait() 等待条件变量通知，再执行任务。

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::atomic<bool> ready{false};
int task_counter = 0;

// 工作线程：等待任务并执行
void worker_thread() {
    while (true) {
        // ⏳ 自旋检查任务是否准备好（减少 wait 的频率）
        while (!ready.load()) {
            std::this_thread::yield(); // 主动让出 CPU
        }

        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, [] { return ready.load(); }); // 等待通知，并释放锁

        // 模拟任务处理
        std::cout << "[Worker] Executing task #" << task_counter << std::endl;
        ready = false;  // 标记任务完成

        if (task_counter >= 5) break;  // 结束条件
    }
}

// 主线程：周期性产生任务
void task_producer() {
    for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 模拟任务生成延迟

        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            task_counter = i;
            ready = true;
            std::cout << "[Main] Task #" << i << " ready\n";
        }

        cv.notify_one(); // 通知工作线程
    }
}

int main() {
    std::thread worker(worker_thread);
    std::thread producer(task_producer);

    producer.join();
    worker.join();

    std::cout << "All tasks finished.\n";
    return 0;
}

输出:

[Main] Task #1 ready
[Worker] Executing task #1
[Main] Task #2 ready
[Worker] Executing task #2
[Main] Task #3 ready
[Worker] Executing task #3
[Main] Task #4 ready
[Worker] Executing task #4
[Main] Task #5 ready
[Worker] Executing task #5
All tasks finished.

代码行为解析：

• 主线程：

  • 每秒产生一个任务，调用 sleep_for()。
  • 使用锁保护 task_counter 和 ready 状态。
  • 调用 cv.notify_one() 唤醒工作线程。

• 工作线程：

  • 使用 yield() 忙等（在任务未准备好前避免 CPU 占用）。
  • 使用 condition_variable::wait() 挂起，等待任务准备。
  • 被通知后执行任务，打印日志，重置状态。