面试题：并发与同步之条件变量基础作用

条件变量与互斥锁配合实现线程间同步的原理

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。线程在访问共享资源前需要获取互斥锁，访问结束后释放互斥锁。
条件变量：本身并不保护共享资源，它主要用于线程间的通信和同步。条件变量允许线程等待某个条件满足后再继续执行。线程通常在获取互斥锁后，检查条件是否满足，如果不满足，则通过条件变量进入等待状态，并同时释放之前获取的互斥锁，以便其他线程可以修改共享资源。当条件满足时，其他线程可以通过条件变量唤醒等待的线程，被唤醒的线程重新获取互斥锁后继续执行。

示例场景：生产者 - 消费者模型

场景描述：假设有一个生产者线程和多个消费者线程，生产者线程向一个共享缓冲区中生产数据，消费者线程从共享缓冲区中消费数据。共享缓冲区有一定的容量限制。
实现方式：
- 互斥锁：用于保护共享缓冲区，确保在同一时间只有一个线程（生产者或消费者）能够访问缓冲区，防止数据竞争。
- 条件变量：有两个条件变量，一个用于通知消费者缓冲区有新数据（not_empty），另一个用于通知生产者缓冲区有空闲空间（not_full）。
- 生产者线程：
  - 首先获取互斥锁。
  - 检查缓冲区是否已满，如果已满，则通过not_full条件变量等待，同时释放互斥锁。
  - 当被唤醒后，重新获取互斥锁，向缓冲区中写入数据。
  - 写入完成后，释放互斥锁，并通过not_empty条件变量通知消费者线程缓冲区有新数据。
- 消费者线程：
  - 首先获取互斥锁。
  - 检查缓冲区是否为空，如果为空，则通过not_empty条件变量等待，同时释放互斥锁。
  - 当被唤醒后，重新获取互斥锁，从缓冲区中读取数据。
  - 读取完成后，释放互斥锁，并通过not_full条件变量通知生产者线程缓冲区有空闲空间。

以下是一个简化的伪代码示例（以C++ 为例，使用std::mutex和std::condition_variable）：

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable not_empty;
std::condition_variable not_full;
std::queue<int> buffer;
const int buffer_size = 5;

void producer(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.size() == buffer_size) {
            not_full.wait(lock);
        }
        buffer.push(i);
        std::cout << "Producer " << id << " produced " << i << std::endl;
        lock.unlock();
        not_empty.notify_one();
    }
}

void consumer(int id) {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.empty()) {
            not_empty.wait(lock);
        }
        int data = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumer " << id << " consumed " << data << std::endl;
        lock.unlock();
        not_full.notify_one();
        if (data == 9) break;
    }
}

int main() {
    std::thread producer_thread1(producer, 1);
    std::thread producer_thread2(producer, 2);
    std::thread consumer_thread1(consumer, 1);
    std::thread consumer_thread2(consumer, 2);

    producer_thread1.join();
    producer_thread2.join();
    consumer_thread1.join();
    consumer_thread2.join();

    return 0;
}

在上述代码中，生产者和消费者线程通过互斥锁和条件变量实现了同步，确保共享缓冲区的正确使用。

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条件变量与互斥锁配合实现线程间同步的原理

示例场景：生产者 - 消费者模型