面试题：C++条件变量在多线程同步中的应用及优化

条件变量和互斥锁协同工作机制

互斥锁（mutex）：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源，避免数据竞争。
条件变量（condition_variable）：用于线程间的同步，当某个条件满足时，通知等待在条件变量上的线程。
协同工作过程：
- 线程首先获取互斥锁，进入临界区，检查共享资源的状态（条件）。
- 如果条件不满足，线程调用条件变量的等待函数（如cv.wait），这个过程中，线程会自动释放持有的互斥锁，并进入等待状态。
- 当另一个线程修改了共享资源的状态，使其满足条件时，该线程获取互斥锁，然后调用条件变量的通知函数（如cv.notify_one或cv.notify_all），唤醒一个或所有等待在条件变量上的线程。
- 被唤醒的线程重新获取互斥锁，重新进入临界区，再次检查条件是否满足（因为可能存在虚假唤醒）。

生产者 - 消费者模型中常见问题及优化

虚假唤醒：在某些操作系统中，等待在条件变量上的线程可能会在没有被notify的情况下被唤醒，这就是虚假唤醒。
避免虚假唤醒：在等待条件变量时，使用while循环来检查条件，而不是if语句。这样即使发生虚假唤醒，线程也会再次检查条件，只有条件真正满足时才会继续执行。

生产者 - 消费者模型代码示例

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> q;
const int max_size = 10;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{ return q.size() < max_size; });
        q.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced: " << i << std::endl;
        lock.unlock();
        cv.notify_one();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer(int id) {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{ return!q.empty(); });
        int value = q.front();
        q.pop();
        std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << value << std::endl;
        lock.unlock();
        cv.notify_one();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    }
}

int main() {
    std::thread p1(producer, 1);
    std::thread p2(producer, 2);
    std::thread c1(consumer, 1);
    std::thread c2(consumer, 2);

    p1.join();
    p2.join();
    c1.join();
    c2.join();

    return 0;
}

在上述代码中：

producer函数模拟生产者，不断生成数据并放入队列q中，当队列满时等待条件变量。
consumer函数模拟消费者，不断从队列q中取出数据，当队列为空时等待条件变量。
cv.wait函数中的while循环条件检查避免了虚假唤醒的影响。

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面试题答案

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生产者 - 消费者模型中常见问题及优化

生产者 - 消费者模型代码示例