面试题：进程管理之条件变量在进程同步基础应用

条件变量与互斥锁配合避免竞争条件的原理

互斥锁：互斥锁用于保证在同一时刻只有一个线程或进程能够访问共享资源，防止多个线程或进程同时修改共享数据，从而避免竞争条件。但互斥锁本身只能解决“同时访问”的问题，对于需要根据某些条件来决定是否访问共享资源的情况，单纯的互斥锁无法满足。
条件变量：条件变量是线程或进程间的一种同步机制，它允许线程或进程在某个条件满足时被唤醒。条件变量通常和互斥锁配合使用，线程在获取互斥锁后，检查共享资源的状态是否满足特定条件。如果不满足，线程会释放互斥锁并在条件变量上等待。当其他线程改变了共享资源的状态使得条件满足时，会通知条件变量，等待在条件变量上的线程会被唤醒，重新获取互斥锁，然后检查条件是否真的满足并继续执行。这样就确保了线程在合适的时机访问共享资源，避免竞争条件。

举例场景

以生产者 - 消费者模型为例：

场景描述：有一个共享缓冲区，生产者进程向缓冲区中写入数据，消费者进程从缓冲区中读取数据。缓冲区有一定的容量限制，当缓冲区满时，生产者需要等待；当缓冲区空时，消费者需要等待。
代码示例（以C语言的POSIX线程库为例）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.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 i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
        }
        buffer[in] = i;
        printf("Produced: %d\n", buffer[in]);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        count++;
        pthread_cond_signal(&not_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
        }
        int data = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", data);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        count--;
        pthread_cond_signal(&not_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&not_full);
    pthread_cond_destroy(&not_empty);
    return 0;
}

在这个例子中，互斥锁 mutex 用于保护共享缓冲区 buffer 以及相关的变量 in、out 和 count。当生产者要向缓冲区写入数据时，先获取互斥锁，然后检查缓冲区是否已满（count == BUFFER_SIZE），如果满了就通过 pthread_cond_wait 释放互斥锁并在 not_full 条件变量上等待。当消费者从缓冲区取出数据后，会通过 pthread_cond_signal 唤醒等待在 not_full 条件变量上的生产者。同理，消费者在读取数据前，先获取互斥锁，检查缓冲区是否为空，为空则在 not_empty 条件变量上等待，生产者写入数据后唤醒消费者。通过这种方式，避免了生产者和消费者对共享缓冲区的竞争条件。

面试题：进程管理之条件变量在进程同步基础应用

知识考点

面试题答案

条件变量与互斥锁配合避免竞争条件的原理

举例场景