C语言的并发编程

柳清妍

于 2025-02-05 08:41:43 发布

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分类专栏：包罗万象文章标签： golang 开发语言后端

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C语言的并发编程

引言

在当今的计算机科学中，程序的并发性是一个重要的研究方向。随着多核处理器的普及，如何有效地利用计算机的多核资源成为了软件开发中的一项重要任务。C语言作为一种底层语言，虽然没有内置的并发编程支持，但通过操作系统提供的接口，我们可以实现高效的并发编程。本文将深入探讨C语言的并发编程，包括其基本概念、常见的并发编程模型、以及在Linux环境下使用POSIX线程库（pthread）进行并发编程的具体示例和注意事项。

一、并发编程的基本概念

1.1 并发与并行

首先，我们需要区分“并发”和“并行”这两个概念。并发是指多个任务在相同的时间段内处于执行状态，但并不一定是同时执行的。并行则是指多个任务在同一时间点上同时执行。在单核处理器上只能实现并发，多个线程交替执行；而在多核处理器上既可以实现并发，也可以实现并行，多个线程可以同时在不同的核心上运行。

1.2 线程与进程

在操作系统中，进程是资源分配的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。一个进程可以包含多个线程。线程之间可以共享进程的资源，因此在某些情况下，使用线程比使用进程更有效率。C语言通过操作系统的接口提供了对线程的支持，尤其是在Unix/Linux系统中，使用POSIX线程库（pthread）是最常见的方式。

1.3 线程的创建与管理

在C语言中，使用pthread库可以方便地创建和管理线程。每个线程都由一个线程ID标识，可以通过创建线程、等待线程结束、销毁线程等操作来管理线程的生命周期。

二、使用POSIX线程库进行C语言的并发编程

2.1 POSIX线程库的基本操作

为了使用pthread库，我们需要包含头文件 <pthread.h>。基本的线程操作包括：

创建线程：pthread_create
等待线程结束：pthread_join
取消线程：pthread_cancel
线程同步：使用互斥锁（pthread_mutex）和条件变量（pthread_cond）

2.2 创建线程

使用pthread_create函数可以创建一个新线程。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：指向新线程ID的指针。
attr：线程的属性，通常设置为NULL使用默认值。
start_routine：线程执行的函数。
arg：传递给线程的参数。

一个简单的线程创建示例：

```c

include

void thread_function(void arg) { printf("Hello from thread!\n"); return NULL; }

int main() { pthread_t thread; pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL); pthread_join(thread, NULL); return 0; } ```

在上述代码中，我们创建了一个新线程，该线程执行thread_function。pthread_join用于等待线程完成。

2.3 线程同步

多线程编程中，资源共享会导致数据竞争问题。为了防止数据竞争，我们可以使用互斥锁（mutex）。互斥锁确保在同一时间只有一个线程能够访问特定的资源。

2.3.1 使用互斥锁

互斥锁的基本操作包括：

初始化锁：pthread_mutex_init
加锁：pthread_mutex_lock
解锁：pthread_mutex_unlock
销毁锁：pthread_mutex_destroy

示例代码：

```c

include

pthread_mutex_t lock;

void thread_function(void arg) { pthread_mutex_lock(&lock); printf("Thread %d is running.\n", (int)arg); pthread_mutex_unlock(&lock); return NULL; }

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

pthread_mutex_init(&lock, NULL);

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    thread_ids[i] = i + 1;
    pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_ids[i]);
}

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    pthread_join(threads[i], NULL);
}

pthread_mutex_destroy(&lock);
return 0;

} ```

在这个示例中，我们创建了5个线程，每个线程在进入临界区前先获得锁，执行完后再释放锁，从而避免数据竞争。

2.3.2 条件变量

条件变量用于线程之间的同步，允许一个或多个线程在某个条件满足时继续执行。常用操作包括：

初始化条件变量：pthread_cond_init
等待条件变量：pthread_cond_wait
发送条件变量：pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast
销毁条件变量：pthread_cond_destroy

以下是使用条件变量的示例代码：

```c

include

pthread_mutex_t lock; pthread_cond_t cond; int ready = 0;

void consumer(void arg) { pthread_mutex_lock(&lock); while (ready == 0) { pthread_cond_wait(&cond, &lock); } printf("Consumer: ready == 1\n"); pthread_mutex_unlock(&lock); return NULL; }

void producer(void arg) { sleep(1); // 模拟生产过程 pthread_mutex_lock(&lock); ready = 1; pthread_cond_signal(&cond); pthread_mutex_unlock(&lock); return NULL; }

int main() { pthread_t thr1, thr2;

pthread_mutex_init(&lock, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);

pthread_create(&thr1, NULL, consumer, NULL);
pthread_create(&thr2, NULL, producer, NULL);

pthread_join(thr1, NULL);
pthread_join(thr2, NULL);

pthread_mutex_destroy(&lock);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;

} ```

在此示例中，生产者线程在准备好数据后通知消费者线程继续执行。