生产者与消费者
复习
- 互斥锁：让同一时刻只有一个执行线进入临界区
- 自旋锁与睡眠锁：等待锁时应该原地重试还是让出 CPU
- 等待与通知：条件变量如何让线程在条件不满足时睡眠
TL;DR
- 生产者往缓冲区放数据，消费者从缓冲区取数据
- 缓冲区空时，消费者要等；缓冲区满时，生产者要等
- 用一把互斥锁加两个条件变量，就能完整实现
- 这是一个把互斥、等待、通知串起来的经典例子
正文
前面几章的工具，单看都简单。把它们凑到一块儿，看一个真正有用的例子：生产者与消费者。
场景
一批线程叫生产者，负责往一个有限大小的缓冲区里放数据；另一批线程叫消费者，负责从缓冲区里取走数据。
这里有两条难以回避的约束：
- 缓冲区满了，生产者不能再放，得等
- 缓冲区空了，消费者不能取，也得等
同时，缓冲区是共享的，任何一次读写都必须互斥——否则又会撞上“程序竞争”。
三样工具
把需求对号入座，正好用上前面三样工具：
- 互斥锁：保护缓冲区，保证同一时刻只有一个线程动它
- 条件变量
notEmpty：缓冲区不空时，通知消费者 - 条件变量
notFull：缓冲区不满时，通知生产者
伪代码
消费者的逻辑：
lock()
while (缓冲区为空) {
wait(notEmpty, 锁) // 睡下并放开锁，等生产者放数据
}
取出一个数据
signal(notFull) // 告诉生产者：有空位了
unlock()
生产者的逻辑正好对称：
lock()
while (缓冲区已满) {
wait(notFull, 锁) // 睡下并放开锁，等消费者腾出空位
}
放入一个数据
signal(notEmpty) // 告诉消费者：有数据了
unlock()
三个要点
这段代码虽短，却把并发里的三个关键词都用到了：
- 互斥：
lock/unlock保证缓冲区同一时刻只被一个人动 - 等待：条件不满足时，
wait睡下并释放锁，不占着茅坑 - 通知：一方改变了条件，就
signal唤醒另一方
尤其注意：等待时必须把锁放开。否则，消费者攥着锁睡下，生产者就永远进不来、放不了数据，大家全卡死。条件变量的 wait 帮你把“放开锁”这件事一并做了。
这个例子也说明：同步工具往往要组合使用。锁管互斥，条件变量管等待与通知，单靠哪一个都不够。
思考题
如果消费者在
wait时不释放锁，程序会怎样？为什么“等待”和“持有锁”不能同时进行？
小结
知识点
- 生产者放数据、消费者取数据，缓冲区有大小限制
- 空要等、满要等，读写还要互斥
- 用互斥锁加两个条件变量实现
- 等待时必须释放锁，避免死锁
参考资料
- Wikipedia(zh)：生产者消费者问题：producer-consumer
- Wikipedia(zh)：条件变量：等待与通知
思考题答案（仅供参考）
如果 wait 不释放锁，消费者就会“攥着锁睡觉”：它等的是生产者放数据，而生产者要拿的正是它手里的锁，于是永远拿不到，也就永远放不了数据，双方僵死。所以“等待”和“持有锁”必须分开——wait 睡下的同时把锁放开，让别人能进来改变条件，才有机会把自己唤醒。这也正是条件变量必须和锁配套使用的原因。
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封面图
设计师 | 南国微雪