面试题：并发与同步：复杂场景下条件变量与信号量的选择

Question

假设你正在开发一个多线程的视频处理应用，其中有多个线程负责不同的任务，如视频解码、图像渲染、音频合成等。在这个场景中，有些任务需要等待其他任务完成特定阶段才能继续执行，同时资源的访问也需要协调。请分析在这种复杂情况下，何时选择使用条件变量，何时选择信号量，以及如何进行优化以提高系统性能。

Answer 1

条件变量的使用场景

1. 任务依赖场景：当一个线程需要等待另一个线程完成特定阶段才能继续执行时，适合使用条件变量。例如，图像渲染线程需要等待视频解码线程完成一帧的解码后才能开始渲染。此时，视频解码线程在完成一帧解码后，通过条件变量通知图像渲染线程，图像渲染线程在条件变量上等待通知，收到通知后继续执行渲染任务。
2. 资源可用性场景：当资源的状态变化会触发某些线程的操作时。比如，有一个缓冲区用于存储解码后的视频帧，当缓冲区为空时，图像渲染线程等待；当视频解码线程向缓冲区写入数据（即缓冲区有可用资源），通过条件变量通知图像渲染线程。

信号量的使用场景

1. 限制资源访问数量：如果系统中存在有限数量的共享资源，例如只有一定数量的GPU核心用于图像渲染。可以使用信号量来控制同时访问这些资源的线程数量。每个线程在使用GPU核心前获取信号量（如果信号量计数为0则等待），使用完后释放信号量，这样可以确保不会有过多线程同时竞争这些有限资源。
2. 控制并发度：在音频合成任务中，如果希望限制同时进行音频合成的线程数量，以避免系统资源过度消耗，可以使用信号量。信号量的初始值设定为允许的最大并发线程数，每个音频合成线程启动时获取信号量，完成任务后释放信号量。

性能优化方法

1. 减少锁竞争：无论是条件变量还是信号量，都常与锁配合使用。要尽量缩短持有锁的时间，避免在锁内执行长时间操作。例如，在视频解码线程中，在获取锁通知图像渲染线程条件满足后，尽快释放锁，让图像渲染线程能够及时获取锁并执行后续操作。
2. 合理调整线程数量：根据系统的硬件资源（如CPU核心数、内存大小等），合理调整各个任务的线程数量。例如，如果CPU核心数有限，过多的视频解码线程可能会导致上下文切换频繁，降低性能。通过测试找到每个任务最佳的线程数量配置。
3. 优化资源分配：对于共享资源，如缓冲区，采用高效的数据结构和分配算法。例如，使用环形缓冲区来存储解码后的视频帧，提高数据的读写效率，减少线程等待时间。
4. 使用异步操作：在不影响任务依赖关系的前提下，尽量采用异步操作。比如，在视频解码过程中，可以利用硬件的异步解码功能，当解码操作开始后，解码线程可以先去处理其他任务，而不是一直等待解码完成，提高线程的利用率。