面试题：Rust互斥锁与条件变量的协作

Question

在Rust中，如何使用互斥锁和条件变量来实现生产者 - 消费者模型？请详细描述实现思路，并给出关键代码片段。同时说明在这种场景下，如何处理死锁和虚假唤醒等问题。

Answer 1

实现思路

1. 互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。在生产者 - 消费者模型中，共享资源可能是一个缓冲区。
2. 条件变量（Condvar）：用于线程间的通信。生产者线程在缓冲区有空间时通知消费者线程，消费者线程在缓冲区有数据时通知生产者线程。
3. 生产者：生产数据，获取互斥锁，将数据放入共享缓冲区，然后通知等待的消费者线程。
4. 消费者：获取互斥锁，检查共享缓冲区是否有数据，若没有则等待条件变量通知，有数据则取出并消费。

关键代码片段

use std::sync::{Arc, Mutex, Condvar};
use std::thread;

fn main() {
    let shared_data = Arc::new((Mutex::new(Vec::new()), Condvar::new()));
    let producer_shared = shared_data.clone();
    let consumer_shared = shared_data.clone();

    let producer = thread::spawn(move || {
        for i in 0..10 {
            let (lock, cvar) = &*producer_shared;
            let mut data = lock.lock().unwrap();
            data.push(i);
            println!("Produced: {}", i);
            drop(data);
            cvar.notify_one();
        }
    });

    let consumer = thread::spawn(move || {
        let (lock, cvar) = &*consumer_shared;
        for _ in 0..10 {
            let mut data = lock.lock().unwrap();
            while data.is_empty() {
                data = cvar.wait(data).unwrap();
            }
            let item = data.pop().unwrap();
            println!("Consumed: {}", item);
        }
    });

    producer.join().unwrap();
    consumer.join().unwrap();
}

处理死锁问题

1. 按顺序获取锁：确保所有线程以相同顺序获取锁，避免循环依赖。在生产者 - 消费者模型中，只有一个互斥锁，所以这方面不容易出现死锁，但如果有多个锁（例如多个缓冲区），要注意获取顺序。
2. 避免嵌套锁：尽量减少锁的嵌套使用，以降低死锁风险。
3. 使用超时机制：在获取锁时设置超时，若在规定时间内未获取到锁，则放弃操作并释放已获取的锁，如使用try_lock方法并结合std::time::Duration设置超时。

处理虚假唤醒问题

1. 使用循环检查条件：在消费者线程等待条件变量通知后，使用循环再次检查共享缓冲区是否真的有数据，而不是直接假设通知一定意味着缓冲区有数据。如上述代码中while data.is_empty() { data = cvar.wait(data).unwrap(); }，这样即使出现虚假唤醒，也会再次等待直到条件满足。