面试题：并发与同步：条件变量与信号量基础使用场景对比

条件变量的基础使用场景

条件变量通常用于线程间的同步，当某个条件满足时，一个或多个线程会被唤醒。它依赖于一个互斥锁，一般用于等待某个特定条件发生的场景。例如，在一个线程池任务处理场景中，工作线程等待任务队列中有新任务（条件），当有新任务添加到队列时（条件满足），等待的工作线程被唤醒去处理任务。

信号量的基础使用场景

信号量用于控制对共享资源的访问数量。它通过一个计数器来管理，当计数器大于0时，线程可以获取信号量（计数器减1）来访问资源，访问完后释放信号量（计数器加1）。常用于控制对有限资源的并发访问。比如，在数据库连接池场景中，信号量可以用来控制同时获取连接的线程数量，防止过多线程同时获取连接导致资源耗尽。

在生产者 - 消费者模型中条件变量的应用

数据结构准备：假设有一个共享缓冲区用于生产者和消费者之间的数据传递，同时有一个互斥锁 mutex 用于保护对缓冲区的访问，一个条件变量 cond 用于通知消费者缓冲区有数据。

#include <pthread.h>
#include <stdio.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 cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

生产者函数：生产者在向缓冲区写入数据前先获取互斥锁，当缓冲区满时等待条件变量 cond，有空间时写入数据并通知消费者。

void *producer(void *arg) {
    int item = 1;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        buffer[in] = item++;
        printf("Produced: %d\n", buffer[in]);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

消费者函数：消费者在从缓冲区读取数据前获取互斥锁，当缓冲区空时等待条件变量 cond，有数据时读取数据并通知生产者。

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (in == out) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        int item = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", item);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

在生产者 - 消费者模型中信号量的应用

数据结构准备：同样有共享缓冲区，用两个信号量 empty 表示缓冲区的空闲槽位数量，full 表示缓冲区已占用槽位数量，还有一个互斥锁 mutex 保护对缓冲区的访问。

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

#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;
sem_t empty;
sem_t full;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

生产者函数：生产者先获取 empty 信号量表示有空闲槽位，获取互斥锁后写入数据，然后释放 full 信号量表示有数据可供消费。

void *producer(void *arg) {
    int item = 1;
    while (1) {
        sem_wait(&empty);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        buffer[in] = item++;
        printf("Produced: %d\n", buffer[in]);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&full);
    }
    return NULL;
}

消费者函数：消费者先获取 full 信号量表示有数据，获取互斥锁后读取数据，然后释放 empty 信号量表示有空闲槽位。

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        sem_wait(&full);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        int item = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", item);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&empty);
    }
    return NULL;
}

通过上述方式，条件变量和信号量在生产者 - 消费者模型中分别通过不同机制保证了数据一致性和线程协作。

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条件变量的基础使用场景

信号量的基础使用场景

在生产者 - 消费者模型中条件变量的应用

在生产者 - 消费者模型中信号量的应用