面试题：C语言中Linux多线程服务器模型条件变量与互斥锁的协作

条件变量与互斥锁协作原理

互斥锁（Mutex）：
- 互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源，避免数据竞争。它是一种二元信号量，只有两种状态：锁定（locked）和解锁（unlocked）。
- 当一个线程获取到互斥锁（将其状态设为锁定），其他线程试图获取该互斥锁时会被阻塞，直到持有锁的线程释放锁（将其状态设为解锁）。
条件变量（Condition Variable）：
- 条件变量用于线程间的同步，它允许线程等待某个条件满足。条件变量本身并不保护共享资源，需要与互斥锁配合使用。
- 一个线程可以在条件变量上等待，同时释放与之关联的互斥锁，进入睡眠状态。当另一个线程改变了共享资源的状态，使得等待的条件满足时，它可以唤醒在该条件变量上等待的线程。被唤醒的线程会重新获取互斥锁，然后继续执行。

生产者 - 消费者模型下的应用

场景描述：
- 生产者线程不断生成数据并放入共享缓冲区，消费者线程从共享缓冲区取出数据进行处理。共享缓冲区的大小有限，需要避免生产者在缓冲区满时继续写入，以及消费者在缓冲区空时读取。
核心代码逻辑（以Linux pthread库为例）：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;
int count = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 生产者线程函数
void* producer(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
        }
        buffer[in] = i;
        printf("Produced: %d\n", buffer[in]);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        count++;
        pthread_cond_signal(&not_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

// 消费者线程函数
void* consumer(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
        }
        int data = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", data);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        count--;
        pthread_cond_signal(&not_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&not_full);
    pthread_cond_destroy(&not_empty);
    return 0;
}

在上述代码中：

互斥锁 mutex：保护共享缓冲区 buffer 以及相关变量 in、out、count，确保在访问这些共享资源时的互斥性。
条件变量 not_full：当缓冲区满时（count == BUFFER_SIZE），生产者线程通过 pthread_cond_wait 等待该条件变量，同时释放互斥锁 mutex。当消费者从缓冲区取出数据后，通过 pthread_cond_signal 唤醒等待在 not_full 上的生产者线程。
条件变量 not_empty：当缓冲区空时（count == 0），消费者线程通过 pthread_cond_wait 等待该条件变量，同时释放互斥锁 mutex。当生产者向缓冲区写入数据后，通过 pthread_cond_signal 唤醒等待在 not_empty 上的消费者线程。

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面试题：C语言中Linux多线程服务器模型条件变量与互斥锁的协作

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