面试题：并发与同步：条件变量在多线程同步场景中的常规应用

Question

假设有一个生产者 - 消费者模型，生产者线程生产数据并放入缓冲区，消费者线程从缓冲区取出数据进行处理。请描述如何使用条件变量来实现生产者和消费者之间的同步，包括条件变量的初始化、等待和通知操作，同时简单说明相关互斥锁的作用。

Answer 1

1. 条件变量初始化： 在C++中，使用<condition_variable>库。首先声明一个std::condition_variable对象，例如：

#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <queue>

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

2. 生产者线程：
   • 生产者在往缓冲区放入数据前，先获取互斥锁。
   • 检查缓冲区是否已满，如果满了，则通过cv.wait等待条件变量。在等待过程中，互斥锁会被自动释放，当条件变量被通知时，互斥锁会被重新获取。
   • 当缓冲区有空间时，放入数据，然后通知消费者线程（cv.notify_one()或cv.notify_all()）。

void producer() {
    int data = 0;
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.size() == buffer_size) {
            cv.wait(lock);
        }
        buffer.push(data++);
        lock.unlock();
        cv.notify_one();
    }
}

3. 消费者线程：
   • 消费者在从缓冲区取出数据前，先获取互斥锁。
   • 检查缓冲区是否为空，如果空了，则通过cv.wait等待条件变量。同样，等待过程中互斥锁会被释放，通知时重新获取。
   • 当缓冲区有数据时，取出数据进行处理，然后通知生产者线程（cv.notify_one()或cv.notify_all()）。

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.empty()) {
            cv.wait(lock);
        }
        int data = buffer.front();
        buffer.pop();
        lock.unlock();
        // 处理数据
        cv.notify_one();
    }
}

4. 互斥锁的作用：
   • 互斥锁用于保护共享资源（这里是缓冲区），防止多个线程同时访问缓冲区，避免数据竞争和不一致。
   • 条件变量的wait操作需要一个已锁定的互斥锁，在等待过程中，互斥锁会被自动释放，这样其他线程才有机会修改共享资源（如生产者往缓冲区放数据，消费者从缓冲区取数据）。当条件变量被通知时，wait函数重新获取互斥锁，确保后续对共享资源的操作是安全的。