面试题：C语言Linux共享内存同步中条件变量的深度应用

1. 利用条件变量结合互斥锁实现同步逻辑

在C语言的Linux共享内存编程中，结合条件变量和互斥锁实现同步逻辑的步骤如下：

初始化互斥锁和条件变量：
- 使用 pthread_mutex_init 初始化互斥锁。
- 使用 pthread_cond_init 初始化条件变量。
进程获取互斥锁：在访问共享内存前，每个进程都要先获取互斥锁，以确保同一时间只有一个进程能访问共享内存。
检查共享内存数据状态：获取互斥锁后，进程检查共享内存中的数据状态，判断是否满足特定条件。
等待条件变量：如果条件不满足，进程调用 pthread_cond_wait 等待条件变量。pthread_cond_wait 会自动释放互斥锁，使其他进程能够访问共享内存。当条件满足被唤醒时，pthread_cond_wait 会重新获取互斥锁。
满足条件后进行处理：当条件满足时，进程进行相应的处理，处理完成后释放互斥锁。

2. 条件变量相较于信号量在这种场景下的优势

精准唤醒：条件变量可以精准地唤醒等待特定条件的线程，而信号量是一种更通用的计数器，唤醒的线程不一定是等待特定条件的，可能需要额外的判断。
避免虚假唤醒：虽然条件变量也可能出现虚假唤醒，但通过合理的编程（如在循环中检查条件），可以有效避免这种情况。而信号量在某些复杂场景下，可能更容易出现资源竞争和误唤醒的问题。
与互斥锁紧密结合：条件变量通常与互斥锁紧密配合使用，更适合在需要保护共享资源并等待特定条件的场景中，而信号量更侧重于资源计数和一般的同步控制。

3. 具体代码示例及关键代码行解释

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define SHM_SIZE 1024

// 共享内存结构体
typedef struct {
    int data;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
} SharedData;

// 生产者线程函数
void* producer(void* arg) {
    SharedData* shared = (SharedData*)arg;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&shared->mutex);
        shared->data = i;
        printf("Producer set data to %d\n", i);
        pthread_cond_signal(&shared->cond);
        pthread_mutex_unlock(&shared->mutex);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

// 消费者线程函数
void* consumer(void* arg) {
    SharedData* shared = (SharedData*)arg;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&shared->mutex);
        while (shared->data < i) {
            pthread_cond_wait(&shared->cond, &shared->mutex);
        }
        printf("Consumer got data %d\n", shared->data);
        pthread_mutex_unlock(&shared->mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    int shm_fd;
    SharedData* shared;

    // 创建共享内存对象
    shm_fd = shm_open("/shared_memory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        perror("shm_open");
        return 1;
    }

    // 设置共享内存大小
    if (ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate");
        return 1;
    }

    // 映射共享内存到进程地址空间
    shared = (SharedData*)mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (shared == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // 初始化互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_init(&shared->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&shared->cond, NULL);

    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    // 创建生产者和消费者线程
    if (pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, shared) != 0) {
        perror("pthread_create producer");
        return 1;
    }
    if (pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, shared) != 0) {
        perror("pthread_create consumer");
        return 1;
    }

    // 等待线程结束
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    // 销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&shared->mutex);
    pthread_cond_destroy(&shared->cond);

    // 取消映射并关闭共享内存
    if (munmap(shared, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("munmap");
        return 1;
    }
    if (close(shm_fd) == -1) {
        perror("close");
        return 1;
    }
    if (shm_unlink("/shared_memory") == -1) {
        perror("shm_unlink");
        return 1;
    }

    return 0;
}

关键代码行解释：

pthread_mutex_lock(&shared->mutex);：获取互斥锁，保护共享内存的访问。
while (shared->data < i) { pthread_cond_wait(&shared->cond, &shared->mutex); }：消费者线程检查条件，不满足则等待条件变量，pthread_cond_wait 会自动释放互斥锁并在唤醒时重新获取。
pthread_cond_signal(&shared->cond);：生产者线程设置数据后，发送信号唤醒等待的消费者线程。
pthread_mutex_unlock(&shared->mutex);：操作完成后释放互斥锁。
pthread_mutex_init(&shared->mutex, NULL); 和 pthread_cond_init(&shared->cond, NULL);：初始化互斥锁和条件变量。
pthread_mutex_destroy(&shared->mutex); 和 pthread_cond_destroy(&shared->cond);：销毁互斥锁和条件变量。

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面试题：C语言Linux共享内存同步中条件变量的深度应用

知识考点

面试题答案

1. 利用条件变量结合互斥锁实现同步逻辑

2. 条件变量相较于信号量在这种场景下的优势

3. 具体代码示例及关键代码行解释