C语言的并发编程-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/2401_90031964/article/details/144896533

C语言的并发编程

引言

在现代计算机科学中，并发编程是一种重要的编程范式。随着多核处理器和多线程操作系统的广泛使用，应用程序的并发性变得越来越重要。C语言作为一种底层编程语言，虽然不提供直接的并发编程特性，但通过库的支持，比如POSIX线程（pthread）和标准C11中的线程功能，程序员可以实现高效的并发。本文将深入探讨C语言中的并发编程，包括基本概念、线程创建、同步机制、潜在问题以及实践中的应用示例。

一、并发编程概述

并发编程是指在同一时间段内处理多个任务的能力。这些任务可以是同时进行的（多线程），也可以是交替进行的（例如，通过事件驱动的方式）。并发程序能更高效地使用计算资源，尤其是在处理I/O密集型和计算密集型任务时。

1.1 并发与并行的区别

在讨论并发编程时，首先需要理解“并发”和“并行”的区别。并发是指在单台机器上多个任务能够交替进行，可能在同一时间段内处理多个任务；而并行则是指在多台机器或多核处理器上同时运行多个任务。并发是一个更广泛的概念，包括了并行的情况。

二、C语言中的线程

在C语言中，并发编程通常是通过线程实现的。线程是操作系统进行调度的基本单位，每个线程都有自己的栈，有自己的寄存器状态，并与其他线程共享同一进程的地址空间。

2.1 POSIX 线程库（pthread）

POSIX线程库是C语言中实现多线程的常用标准库。pthread库提供了一组丰富的接口，允许程序员创建和管理线程，实现线程间的同步与通信。

2.1.1 创建线程

使用pthread库创建线程非常简单，主要使用pthread_create函数。该函数的原型如下：

c int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

thread：指向线程标识符的指针，用于存储创建的线程ID。
attr：线程属性，使用默认属性时可以设置为NULL。
start_routine：线程执行的函数，这个函数必须返回一个void*类型的值。
arg：传递给线程函数的单个参数。

下面是一个简单的示例，演示如何创建和启动线程：

```c

include

void thread_func(void arg) { printf("Hello from thread %d\n", (int)arg); return NULL; }

int main() { pthread_t threads[5]; int thread_args[5];

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    thread_args[i] = i;
    pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, &thread_args[i]);
}

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    pthread_join(threads[i], NULL); // 等待线程结束
}

return 0;

} ```

2.2 线程生命周期

线程的生命周期通常包括创建、就绪、运行、等待和终止。理解这些状态对于有效管理线程非常重要。

创建：当线程被创建时，它处于创建状态。
就绪：线程准备好运行，但因为调度策略而没有被分配CPU。
运行：线程正在执行自己的任务。
等待：线程因为某种原因（如等待I/O完成）而暂停执行。
终止：线程完成任务并退出。

三、线程同步

在多线程环境下，共享数据可能会导致竞争条件（race condition）。为了防止这种情况，需要使用同步机制。

3.1 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的同步机制。它用于保护共享数据，以确保在任何时刻只有一个线程可以访问该数据。使用pthread库中的互斥锁相对简单：

创建和初始化互斥锁
通过pthread_mutex_lock锁定互斥锁
访问共享数据
通过pthread_mutex_unlock解锁互斥锁

下面是互斥锁的一个示例：

```c

include

int counter = 0; pthread_mutex_t lock;

void increment(void arg) { for (int i = 0; i < 100000; i++) { pthread_mutex_lock(&lock); counter++; pthread_mutex_unlock(&lock); } return NULL; }

int main() { pthread_t threads[2]; pthread_mutex_init(&lock, NULL);

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    pthread_create(&threads[i], NULL, increment, NULL);
}

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    pthread_join(threads[i], NULL);
}

printf("Final counter: %d\n", counter);
pthread_mutex_destroy(&lock);
return 0;

} ```

3.2 条件变量

条件变量允许线程等待某个条件发生。它们与互斥锁配合使用，以实现更复杂的同步机制。使用条件变量的基本步骤：

创建和初始化条件变量
在某个条件下等待条件变量
触发条件变量

下面是条件变量的示例：

```c

include

pthread_mutex_t lock; pthread_cond_t condition; int ready = 0;

void worker(void arg) { pthread_mutex_lock(&lock); while (!ready) { pthread_cond_wait(&condition, &lock); } printf("Worker thread proceeding\n"); pthread_mutex_unlock(&lock); return NULL; }

int main() { pthread_t thread; pthread_mutex_init(&lock, NULL); pthread_cond_init(&condition, NULL);

pthread_create(&thread, NULL, worker, NULL);

sleep(1); // 模拟某些工作
pthread_mutex_lock(&lock);
ready = 1; // 设置条件
pthread_cond_signal(&condition); // 唤醒等待的线程
pthread_mutex_unlock(&lock);

pthread_join(thread, NULL);
pthread_mutex_destroy(&lock);
pthread_cond_destroy(&condition);
return 0;

} ```

四、线程安全与数据竞争

4.1 数据竞争

数据竞争是指两个或多个线程在没有适当同步的情况下并发访问共享数据，并至少有一个线程在修改该数据。数据竞争可能导致未定义的行为，影响程序的正确性。

4.2 线程安全函数

编写线程安全的代码是实现有效并发编程的关键。线程安全函数在任何时候都可以安全地被多个线程调用，而不需要额外的同步。

以下是一些常见的实现线程安全的原则：

使用局部变量：局部变量存储在线程的栈中，不会被其他线程共享。
使用互斥锁保护共享资源：通过互斥锁来确保每次只有一个线程能够访问共享数据。

五、并发编程中的常见问题

5.1 死锁

死锁是指两个或多个线程因争抢资源而互相等待的状态。在某些情况下，线程可能永远无法继续执行。一个简单的死锁示例是两个线程试图同时获取两个互斥锁。

死锁的避免

为了避免死锁，程序员可以采取以下措施：

资源顺序：确保所有线程以相同的顺序请求资源。
超时机制：在请求锁时设定一个超时时间，如果在超时内无法获取锁，线程选择放弃。
资源避免策略：只在确定能获得所有资源时才进行资源请求。

5.2 饥饿

饥饿是指某个线程无法获得足够的资源，导致它无法执行。这通常发生在某些线程优先级过高的情况下。这可以通过公平策略来解决，例如使用公平的互斥锁或优先级调度。

六、C11中的线程支持

C11标准引入了对线程的原生支持，提供了<threads.h>头文件。这个标准定义了一组简单的线程操作，使得在C语言中更方便地使用线程：

thrd_create用于创建线程
thrd_join等待线程结束
mtx_lock和mtx_unlock用于保护共享数据的互斥锁

下面是使用C11线程库的例子：

```c

include

int counter = 0; mtx_t lock;

int increment(void *arg) { for (int i = 0; i < 100000; i++) { mtx_lock(&lock); counter++; mtx_unlock(&lock); } return 0; }

int main() { thrd_t threads[2]; mtx_init(&lock, mtx_plain);

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    thrd_create(&threads[i], increment, NULL);
}

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    thrd_join(threads[i], NULL);
}

printf("Final counter: %d\n", counter);
mtx_destroy(&lock);
return 0;

} ```

结论

C语言的并发编程提供了强大的灵活性和高效性，但也伴随着许多挑战。了解线程的基本概念、创建方法、同步机制，以及如何处理并发问题，如死锁和数据竞争，是写出可靠和高效的多线程程序的基础。随着计算机硬件的发展，并发编程将继续在现代软件开发中发挥重要作用。因此，掌握C语言中的并发编程技术对开发者来说至关重要。通过不断地学习和实践，我们可以更好地应对复杂的并发环境，编写出更高效和更健壮的程序。