面试题：Go中条件变量如何与互斥锁配合使用

Question

在Go语言中，描述条件变量（`sync.Cond`）与互斥锁（`sync.Mutex`）配合使用的基本流程，并给出一个简单示例代码说明如何利用它们实现线程间的同步，例如生产者 - 消费者模型场景。

Answer 1

基本流程

1. 初始化：
   • 首先创建一个 sync.Mutex 实例用于保护共享资源，确保同一时间只有一个 goroutine 可以访问共享资源。
   • 创建一个 sync.Cond 实例，其 NewCond 函数接受一个 Locker 接口类型参数，通常传入前面创建的 sync.Mutex 实例。这使得 sync.Cond 可以使用该互斥锁来同步访问条件相关的操作。
2. 生产者流程：
   • 生产者获取互斥锁，以确保对共享资源（如缓冲区）的安全访问。
   • 检查共享资源是否满足生产条件（例如缓冲区是否已满）。如果不满足条件，生产者调用 cond.Wait() 方法。这个方法会自动释放互斥锁并阻塞当前 goroutine，直到被其他 goroutine 通过 cond.Signal() 或 cond.Broadcast() 唤醒。唤醒后，Wait() 方法会重新获取互斥锁。
   • 当条件满足时，生产者生产数据并放入共享资源。
   • 生产者释放互斥锁，并调用 cond.Signal() 或 cond.Broadcast() 通知等待在条件变量上的消费者，有新的数据可用。Signal() 会唤醒一个等待的 goroutine，而 Broadcast() 会唤醒所有等待的 goroutine。
3. 消费者流程：
   • 消费者获取互斥锁，以确保对共享资源的安全访问。
   • 检查共享资源是否满足消费条件（例如缓冲区是否为空）。如果不满足条件，消费者调用 cond.Wait() 方法，同样会自动释放互斥锁并阻塞，直到被唤醒并重新获取互斥锁。
   • 当条件满足时，消费者从共享资源中取出数据。
   • 消费者释放互斥锁，并调用 cond.Signal() 或 cond.Broadcast() 通知等待在条件变量上的生产者，有空间可以生产新的数据。

示例代码（生产者 - 消费者模型）

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

// 定义缓冲区大小
const bufferSize = 3

// 共享缓冲区
var buffer [bufferSize]int
// 缓冲区当前元素数量
var count int
// 缓冲区下一个写入位置
var in int
// 缓冲区下一个读取位置
var out int

var mu sync.Mutex
var cond = sync.NewCond(&mu)

// 生产者函数
func producer(id int) {
    for {
        mu.Lock()
        for count == bufferSize {
            // 缓冲区已满，等待
            cond.Wait()
        }
        buffer[in] = id*10 + in
        fmt.Printf("Producer %d produced %d\n", id, buffer[in])
        in = (in + 1) % bufferSize
        count++
        mu.Unlock()
        cond.Signal()
        time.Sleep(time.Second)
    }
}

// 消费者函数
func consumer(id int) {
    for {
        mu.Lock()
        for count == 0 {
            // 缓冲区为空，等待
            cond.Wait()
        }
        val := buffer[out]
        fmt.Printf("Consumer %d consumed %d\n", id, val)
        out = (out + 1) % bufferSize
        count--
        mu.Unlock()
        cond.Signal()
        time.Sleep(time.Second)
    }
}

func main() {
    // 启动两个生产者
    go producer(1)
    go producer(2)
    // 启动两个消费者
    go consumer(1)
    go consumer(2)

    // 防止主函数退出
    select {}
}

在上述代码中：

• 生产者和消费者都通过 sync.Mutex 来保护对共享缓冲区 buffer 的访问。
• sync.Cond 用于在缓冲区满或空时，让生产者或消费者等待合适的条件，并在条件满足时通知其他 goroutine。
• producer 函数不断生产数据并放入缓冲区，consumer 函数不断从缓冲区取出数据，从而实现了生产者 - 消费者模型的同步。