面试题：并发与同步之复杂场景下同步原语的协同

设计方案

数据结构定义：
- 定义共享缓冲区数组 buffer，每个缓冲区可存放一个数据项。
- 定义一个数组 buffer_status 来记录每个缓冲区的状态（是否为空）。
- 定义互斥锁 mutex 用于保护共享资源（如 buffer 和 buffer_status）的访问。
- 定义条件变量 empty 用于表示缓冲区有空闲位置，full 用于表示缓冲区有数据可读。
- 定义信号量 semaphore 用于限制同时访问共享缓冲区的线程数量，防止过多线程同时操作导致竞争。

生产者线程：

void* producer(void* arg) {
    while (true) {
        // 生成数据
        int data = generate_data();
        sem_wait(&semaphore); // 获取信号量，限制并发访问
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (true) {
            int buffer_index = random_select_buffer();
            if (buffer_status[buffer_index] == EMPTY) {
                buffer[buffer_index] = data;
                buffer_status[buffer_index] = FULL;
                pthread_cond_signal(&full); // 通知缓冲区有数据
                break;
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&semaphore); // 释放信号量
    }
    return NULL;
}

消费者线程：

void* consumer(void* arg) {
    while (true) {
        sem_wait(&semaphore); // 获取信号量，限制并发访问
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (true) {
            int buffer_index = random_select_buffer();
            if (buffer_status[buffer_index] == FULL) {
                int data = buffer[buffer_index];
                buffer_status[buffer_index] = EMPTY;
                pthread_cond_signal(&empty); // 通知缓冲区有空闲位置
                process_data(data);
                break;
            } else {
                pthread_cond_wait(&full, &mutex); // 等待缓冲区有数据
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&semaphore); // 释放信号量
    }
    return NULL;
}

可能出现死锁的情况及避免方法

死锁情况分析：
- 情况一：资源分配不当：如果没有信号量 semaphore 限制并发访问，可能会出现大量生产者和消费者线程同时竞争共享缓冲区，导致每个线程都占有部分资源（如互斥锁），但又在等待其他线程释放资源，从而形成死锁。
- 情况二：条件变量等待问题：如果在 pthread_cond_wait 时没有正确处理，比如没有在等待前获取互斥锁，或者在等待返回后没有重新获取互斥锁，可能会导致线程在等待过程中被其他线程修改共享资源状态，从而错过条件变量的信号，造成死锁。
避免死锁方法：
- 使用信号量限制并发：通过信号量 semaphore 限制同时访问共享缓冲区的线程数量，避免过多线程竞争资源，从而防止因资源分配不当导致的死锁。
- 正确使用条件变量：在 pthread_cond_wait 前必须获取互斥锁，并且在 pthread_cond_wait 返回后重新获取互斥锁，确保在等待过程中共享资源状态不会被非法修改，避免错过条件变量信号导致的死锁。同时，在条件变量等待的循环中检查条件，防止虚假唤醒。

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面试题：并发与同步之复杂场景下同步原语的协同

知识考点

面试题答案

设计方案

可能出现死锁的情况及避免方法