面试题：Go中条件变量如何在多线程同步场景下解决生产者 - 消费者问题

Question

在Go语言中，假设有一个生产者 - 消费者模型，生产者不断生成数据放入缓冲区，消费者从缓冲区取出数据进行处理。请使用条件变量（`sync.Cond`）实现这个模型，描述实现思路并给出关键代码片段。

Answer 1

实现思路

1. 定义缓冲区：使用切片或通道来作为数据的暂存区。
2. 生产者逻辑：生成数据并将其放入缓冲区。如果缓冲区已满，生产者需要等待，直到缓冲区有空间。
3. 消费者逻辑：从缓冲区取出数据并处理。如果缓冲区为空，消费者需要等待，直到缓冲区有数据。
4. 使用sync.Cond：用于协调生产者和消费者的等待和唤醒操作。sync.Cond 依赖于一个 sync.Mutex 来保护共享资源（即缓冲区）。

关键代码片段

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

type Buffer struct {
    data []int
    capacity int
    mutex sync.Mutex
    cond  *sync.Cond
}

func NewBuffer(capacity int) *Buffer {
    b := &Buffer{
        data: make([]int, 0, capacity),
        capacity: capacity,
    }
    b.cond = sync.NewCond(&b.mutex)
    return b
}

// 生产者
func Producer(buffer *Buffer, id int) {
    for {
        buffer.mutex.Lock()
        for len(buffer.data) == buffer.capacity {
            buffer.cond.Wait()
        }
        num := id * 10 + len(buffer.data)
        buffer.data = append(buffer.data, num)
        fmt.Printf("Producer %d produced %d\n", id, num)
        buffer.cond.Broadcast()
        buffer.mutex.Unlock()
        time.Sleep(time.Millisecond * 500)
    }
}

// 消费者
func Consumer(buffer *Buffer, id int) {
    for {
        buffer.mutex.Lock()
        for len(buffer.data) == 0 {
            buffer.cond.Wait()
        }
        num := buffer.data[0]
        buffer.data = buffer.data[1:]
        fmt.Printf("Consumer %d consumed %d\n", id, num)
        buffer.cond.Broadcast()
        buffer.mutex.Unlock()
        time.Sleep(time.Millisecond * 1000)
    }
}

在 main 函数中可以这样使用：

func main() {
    buffer := NewBuffer(5)
    go Producer(buffer, 1)
    go Producer(buffer, 2)
    go Consumer(buffer, 1)
    go Consumer(buffer, 2)

    select {}
}