面试题：Rust条件变量在生产者 - 消费者模型中的应用

Question

在一个基于Rust的生产者 - 消费者模型中，使用条件变量实现线程间的同步，生产者线程不断生成数据并放入共享队列，消费者线程从共享队列取出数据进行处理。请详细描述代码实现思路，并指出可能遇到的死锁情况以及如何避免。

Answer 1

代码实现思路

1. 共享队列：使用std::sync::Mutex来保护共享队列，确保线程安全访问。例如，定义一个Mutex<Vec<T>>，T为队列中数据的类型。
2. 条件变量：使用std::sync::Condvar来通知消费者线程有新数据可用。
3. 生产者线程：
   • 生成数据。
   • 锁定Mutex，将数据放入共享队列。
   • 解锁Mutex后，通过Condvar通知等待的消费者线程。
4. 消费者线程：
   • 循环等待条件变量通知。
   • 当收到通知，锁定Mutex，从共享队列取出数据。
   • 解锁Mutex并处理数据。

示例代码

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

fn main() {
    let shared_queue = Arc::new((Mutex::new(Vec::new()), Condvar::new()));
    let producer_shared_queue = shared_queue.clone();
    let consumer_shared_queue = shared_queue.clone();

    let producer = thread::spawn(move || {
        for i in 0..10 {
            let (lock, cvar) = &*producer_shared_queue;
            let mut queue = lock.lock().unwrap();
            queue.push(i);
            drop(queue);
            cvar.notify_one();
        }
    });

    let consumer = thread::spawn(move || {
        let (lock, cvar) = &*consumer_shared_queue;
        let mut queue = lock.lock().unwrap();
        while queue.is_empty() {
            queue = cvar.wait(queue).unwrap();
        }
        let data = queue.pop().unwrap();
        println!("Consumed: {}", data);
    });

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

可能遇到的死锁情况

1. 双重锁定：如果消费者线程在等待条件变量通知时一直持有Mutex锁，而生产者线程需要获取Mutex锁来放入数据并通知消费者，就会导致死锁。因为生产者无法获取锁，消费者也不会释放锁（因为它在等待通知）。
2. 通知丢失：如果生产者在消费者等待条件变量之前就发出通知，而消费者线程没有正确处理这种情况（例如没有循环等待），可能会导致消费者永远等待通知，而生产者继续生产数据，最终导致死锁（例如共享队列满了之后生产者等待队列有空间）。

避免死锁的方法

1. 正确释放锁：消费者线程在等待条件变量通知时，应释放Mutex锁，让生产者线程能够获取锁放入数据并通知。在Rust中，Condvar::wait方法会自动释放传入的锁，并在被唤醒后重新获取锁。
2. 循环等待：消费者线程应该使用循环来等待条件变量通知，确保即使通知丢失，也能继续等待新的通知。例如在while queue.is_empty()循环中调用cvar.wait。