面试题：Python多线程同步原语之高级难度：Condition的复杂使用

Question

假设你有一个生产者 - 消费者模型，多个生产者线程往一个共享队列中添加数据，多个消费者线程从队列中取出数据。使用Condition同步原语实现这个模型，并详细解释Condition的wait、notify和notify_all方法在这个场景中的作用和调用时机。

Answer 1

import threading
import queue


class ProducerConsumerModel:
    def __init__(self, max_size):
        self.queue = queue.Queue(maxsize=max_size)
        self.condition = threading.Condition()

    def producer(self, item):
        with self.condition:
            while self.queue.full():
                print("Queue is full, producer waiting...")
                self.condition.wait()
            self.queue.put(item)
            print(f"Produced: {item}")
            self.condition.notify()

    def consumer(self):
        with self.condition:
            while self.queue.empty():
                print("Queue is empty, consumer waiting...")
                self.condition.wait()
            item = self.queue.get()
            print(f"Consumed: {item}")
            self.condition.notify()


# 示例使用
max_size = 5
model = ProducerConsumerModel(max_size)

producer_thread1 = threading.Thread(target=model.producer, args=(1,))
producer_thread2 = threading.Thread(target=model.producer, args=(2,))
consumer_thread1 = threading.Thread(target=model.consumer)
consumer_thread2 = threading.Thread(target=model.consumer)

producer_thread1.start()
producer_thread2.start()
consumer_thread1.start()
consumer_thread2.start()

producer_thread1.join()
producer_thread2.join()
consumer_thread1.join()
consumer_thread2.join()

Condition的wait、notify和notify_all方法在这个场景中的作用和调用时机：

1. wait方法：
   • 作用：使当前线程等待，同时释放相关的锁（在with语句块中获取的锁），这样其他线程就可以获取锁并修改共享资源。当线程被唤醒时，会重新获取锁并继续执行wait之后的代码。
   • 调用时机：在生产者线程中，当共享队列已满（self.queue.full()）时，生产者调用self.condition.wait()，等待队列有空间。在消费者线程中，当共享队列已空（self.queue.empty()）时，消费者调用self.condition.wait()，等待队列中有数据。
2. notify方法：
   • 作用：唤醒一个等待在Condition对象上的线程。如果有多个线程在等待，选择哪一个线程被唤醒是不确定的。
   • 调用时机：在生产者往队列中添加数据后（self.queue.put(item)），调用self.condition.notify()，通知可能在等待队列有数据的消费者线程。在消费者从队列中取出数据后（self.queue.get()），调用self.condition.notify()，通知可能在等待队列有空间的生产者线程。
3. notify_all方法：
   • 作用：唤醒所有等待在Condition对象上的线程。
   • 调用时机：在这个场景中，如果希望同时唤醒所有等待的生产者和消费者线程，可以在某些关键操作后调用self.condition.notify_all()。例如，在程序结束前要确保所有等待的线程都能收到通知并退出。但一般情况下，notify方法已经能满足生产者 - 消费者模型的基本需求，因为每次操作通常只需要唤醒一个等待的线程。