面试题：C语言Linux线程同步之条件变量应用

条件变量在生产者 - 消费者模型中的工作原理

条件变量概述：条件变量是一种线程同步机制，用于线程间等待特定条件的发生。它通常与互斥锁配合使用，互斥锁用于保护共享资源，而条件变量用于线程间的协调。
生产者 - 消费者场景下的工作原理：
- 生产者线程：
  - 首先获取互斥锁，以保护共享缓冲区。
  - 当共享缓冲区已满时，生产者线程调用pthread_cond_wait函数，该函数会自动释放它持有的互斥锁（避免死锁），然后生产者线程进入等待状态，直到其他线程（通常是消费者线程）发出条件变量的信号。
  - 当收到条件变量的信号（意味着共享缓冲区有空间了），生产者线程被唤醒，重新获取互斥锁，然后向共享缓冲区生产数据，最后释放互斥锁。
- 消费者线程：
  - 同样先获取互斥锁，保护共享缓冲区。
  - 当共享缓冲区为空时，消费者线程调用pthread_cond_wait，释放互斥锁并进入等待状态，直到生产者线程发出条件变量的信号。
  - 被唤醒后，消费者线程重新获取互斥锁，从共享缓冲区取出数据，最后释放互斥锁。

C代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* producer(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
        }
        buffer[in] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(&not_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void* consumer(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (in == out) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
        }
        int data = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", data);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(&not_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&not_full);
    pthread_cond_destroy(&not_empty);
    return 0;
}

这段代码实现了一个简单的生产者 - 消费者模型，使用了条件变量和互斥锁来确保线程安全和同步。producer函数模拟生产者线程，consumer函数模拟消费者线程。在main函数中创建并启动这两个线程，最后等待它们完成。在每个线程中，通过条件变量和互斥锁的配合，实现共享缓冲区的正确操作。

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