面试题：C语言中Linux条件变量在多线程应用的基本原理

Question

请简述在C语言的Linux环境下，条件变量在多线程编程中的基本原理，并且说明使用条件变量通常搭配的互斥锁的作用是什么？

Answer 1

条件变量基本原理

1. 概念：条件变量是一种线程同步机制，用于线程间的条件等待和通知。它允许线程在满足特定条件时才继续执行。
2. 工作流程：
   • 等待条件：一个或多个线程调用 pthread_cond_wait 函数，进入等待状态。此时线程会释放其持有的互斥锁（这是 pthread_cond_wait 函数内部自动完成的），并将自己挂起在条件变量的等待队列上。
   • 条件改变与通知：当某个线程使得条件满足时，它调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 函数。pthread_cond_signal 会唤醒等待队列中的一个线程，而 pthread_cond_broadcast 会唤醒等待队列中的所有线程。
   • 重新竞争互斥锁与继续执行：被唤醒的线程会重新竞争获取互斥锁（在 pthread_cond_wait 函数返回前）。一旦获取到互斥锁，线程就可以安全地检查条件是否满足，并继续执行相关操作。

互斥锁的作用

1. 保护共享资源：在多线程环境中，共享资源可能会被多个线程同时访问，导致数据不一致等问题。互斥锁可以确保在同一时间只有一个线程能够访问共享资源。
2. 与条件变量配合：
   • 确保条件检查的原子性：在检查条件是否满足时，需要使用互斥锁来保证这个检查过程不会被其他线程干扰。例如，在检查某个标志位（作为条件）时，如果没有互斥锁保护，一个线程可能在检查标志位为假后，还没来得及进入等待状态，另一个线程就修改了标志位，导致该线程错过通知。
   • 保护条件变量操作：对条件变量的等待（pthread_cond_wait）和通知（pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast）操作也需要在持有互斥锁的情况下进行，以保证条件变量状态的一致性和操作的原子性。