面试题：并发与同步之条件变量的复杂应用

使用条件变量和互斥锁实现生产者 - 消费者模型

初始化：
- 创建一个互斥锁（Mutex）用于保护共享缓冲区的访问。
- 创建两个条件变量（Condition Variable），一个用于生产者等待缓冲区有空闲空间（not_full），另一个用于消费者等待缓冲区有数据（not_empty）。
- 定义共享缓冲区及其大小，以及用于记录缓冲区数据数量的变量。
生产者代码：

// 假设使用C语言
#include <pthread.h>
#include <stdio.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;

void *producer(void *arg) {
    int item = *((int *)arg);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (count == BUFFER_SIZE) {
        pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
    }
    buffer[in] = item;
    in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
    count++;
    printf("Produced: %d\n", item);
    pthread_cond_signal(&not_empty);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

消费者代码：

void *consumer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (count == 0) {
        pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
    }
    int item = buffer[out];
    out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
    count--;
    printf("Consumed: %d\n", item);
    pthread_cond_signal(&not_full);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

多生产者 - 多消费者场景下可能出现的问题及解决方案

虚假唤醒问题：
- 问题：条件变量可能在没有相应条件满足时被唤醒（虚假唤醒），导致程序逻辑错误。
- 解决方案：在等待条件变量时使用循环检测条件，而不是只检测一次。如上述代码中生产者和消费者等待时都使用while循环检测缓冲区状态。
死锁问题：
- 问题：如果多个线程获取锁和等待条件变量的顺序不一致，可能会导致死锁。例如，一个线程先获取锁然后等待条件变量，而另一个线程等待条件变量被唤醒后尝试获取锁，但此时第一个线程还未释放锁。
- 解决方案：确保所有线程以一致的顺序获取锁和等待条件变量。同时，避免在持有锁的情况下进行长时间的计算或阻塞操作，以减少死锁风险。
饥饿问题：
- 问题：某些生产者或消费者线程可能长时间得不到执行机会，导致饥饿。例如，高优先级线程持续获取锁，使得低优先级线程长时间无法访问共享缓冲区。
- 解决方案：可以采用公平调度算法，如使用条件变量的公平属性（在一些系统中支持），或者在应用层实现轮询机制，确保每个线程都有机会执行。例如，可以记录每个线程等待的时间，当某个线程等待时间过长时，优先唤醒它。

面试题：并发与同步之条件变量的复杂应用

知识考点

面试题答案

使用条件变量和互斥锁实现生产者 - 消费者模型

多生产者 - 多消费者场景下可能出现的问题及解决方案