面试题：Rust并发编程中的条件变量应用

Question

假设你正在使用Rust编写一个多线程程序，其中一个线程负责生成数据，多个线程负责消费数据。请描述如何使用条件变量（`Condvar`）来协调线程之间的同步，以避免生产者 - 消费者模型中的常见问题，如数据竞争和死锁。同时给出实现这一模型的代码示例，并详细解释每个关键部分的作用。

Answer 1

1. 条件变量（Condvar）的作用

在生产者 - 消费者模型中，Condvar 用于协调线程之间的同步。它允许一个线程（生产者）通知其他线程（消费者）有新的数据可用，同时让消费者线程在没有数据时等待，避免无效的忙碌等待，从而防止数据竞争和死锁。

2. 代码示例

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

fn main() {
    let shared_data = Arc::new((Mutex::new(None), Condvar::new()));
    let producer_shared_data = shared_data.clone();

    // 生产者线程
    let producer = thread::spawn(move || {
        for i in 0..10 {
            let (lock, cvar) = &*producer_shared_data;
            let mut data = lock.lock().unwrap();
            *data = Some(i);
            println!("Produced: {}", i);
            data = cvar.notify_one().unwrap();
        }
    });

    let consumer_shared_data = shared_data.clone();
    // 消费者线程
    let consumer = thread::spawn(move || {
        let (lock, cvar) = &*consumer_shared_data;
        loop {
            let mut data = lock.lock().unwrap();
            while data.is_none() {
                data = cvar.wait(data).unwrap();
            }
            let value = data.take().unwrap();
            println!("Consumed: {}", value);
            if value == 9 {
                break;
            }
        }
    });

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

3. 关键部分解释

• Arc<(Mutex<Option<i32>>, Condvar)>：
  • Arc 用于在多个线程间共享数据，因为它允许线程安全地克隆指针。
  • Mutex 用于保护共享数据（这里是 Option<i32>），确保同一时间只有一个线程可以访问数据，防止数据竞争。
  • Condvar 用于线程间的同步通知，让消费者线程在没有数据时等待，生产者线程有数据时通知消费者。
• 生产者线程：
  • let mut data = lock.lock().unwrap();：获取锁，进入临界区，确保对共享数据的独占访问。
  • *data = Some(i);：生成数据并放入共享变量。
  • data = cvar.notify_one().unwrap();：通知一个等待在条件变量上的消费者线程有新数据可用。
• 消费者线程：
  • let mut data = lock.lock().unwrap();：获取锁，进入临界区。
  • while data.is_none() { data = cvar.wait(data).unwrap(); }：如果没有数据，释放锁并等待在条件变量上，当收到通知后重新获取锁并检查数据。
  • let value = data.take().unwrap();：取出并消费数据。
  • if value == 9 { break; }：当消费完最后一个数据后，退出循环。
• join 操作：
  • producer.join().unwrap(); 和 consumer.join().unwrap(); 等待生产者和消费者线程完成，确保主线程不会提前退出。