面试题：并发与同步之条件变量基础

Question

请简要描述条件变量在操作系统线程通信机制中的作用，并且说明它与互斥锁的配合使用方式。

Answer 1

条件变量在操作系统线程通信机制中的作用

1. 线程同步：条件变量用于协调线程间的同步，使线程能够在特定条件满足时被唤醒并继续执行。在多线程编程中，常常会出现一个线程需要等待某个条件满足后才能继续执行的情况，例如生产者 - 消费者模型中，消费者线程需要等待缓冲区有数据才能消费。条件变量就提供了一种机制，让线程可以阻塞等待某个条件，而不是通过不断轮询浪费 CPU 资源。
2. 避免忙等待：如果没有条件变量，线程可能会通过不断检查条件来确定是否可以继续执行，这被称为忙等待。忙等待会消耗大量的 CPU 时间，而条件变量允许线程在条件不满足时进入睡眠状态，当条件满足时由其他线程唤醒，从而避免了这种无意义的 CPU 消耗。

条件变量与互斥锁的配合使用方式

1. 初始化：首先需要分别初始化互斥锁和条件变量。在大多数操作系统的线程库中（如 POSIX 线程库），可以使用相应的函数进行初始化，例如 pthread_mutex_init 初始化互斥锁，pthread_cond_init 初始化条件变量。
2. 保护共享资源：互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源。当一个线程想要操作共享资源时，它必须先获取互斥锁。例如，在生产者 - 消费者模型中，缓冲区就是共享资源，无论是生产者向缓冲区写入数据还是消费者从缓冲区读取数据，都需要先获取互斥锁。
3. 等待条件：当一个线程需要等待某个条件时（例如消费者线程等待缓冲区有数据），它会先获取互斥锁，然后检查条件是否满足。如果条件不满足，线程会调用条件变量的等待函数（如 pthread_cond_wait）。这个函数会做两件事：一是自动释放它已经获取的互斥锁（这样其他线程就可以访问共享资源来改变条件），二是将当前线程置于等待状态。
4. 唤醒线程：当另一个线程改变了条件（例如生产者向缓冲区写入了数据），它会获取互斥锁（因为可能需要操作共享资源来通知其他线程），然后调用条件变量的唤醒函数（如 pthread_cond_signal 唤醒一个等待的线程，或 pthread_cond_broadcast 唤醒所有等待的线程）。唤醒函数不会自动释放互斥锁，唤醒操作完成后，调用者需要手动释放互斥锁。
5. 重新获取互斥锁并检查条件：被唤醒的线程从等待状态返回后，会自动重新获取互斥锁（因为之前等待时已经释放了）。然后线程再次检查条件，因为在它被唤醒到重新获取互斥锁的这段时间内，条件可能又发生了变化。如果条件仍然不满足，线程可能会再次调用条件变量的等待函数继续等待。

通过这种方式，条件变量和互斥锁紧密配合，实现了线程间高效且安全的同步与通信。