面向初学者：C语言多线程入门教程与示例代码解读

 

一、引言

C语言作为一门经典且强大的编程语言，在系统开发、嵌入式编程等领域应用广泛。随着计算机硬件多核化的发展，多线程编程成为提升程序性能的重要手段。对于初学者而言，掌握C语言多线程编程，能极大拓宽编程视野与能力边界。本文旨在以通俗易懂的方式，引领初学者走进C语言多线程的世界，通过示例代码深入解读关键概念与操作。

二、多线程基础概念

（一）进程与线程的关系

在理解多线程前，需先明晰进程与线程的概念。进程是程序的一次执行实例，拥有独立的内存空间、系统资源等，像我们日常运行的各类应用程序，每个都是一个进程。而线程则是进程中的执行单元，一个进程可包含多个线程，它们共享进程的内存空间与资源 ，这使得线程间通信与数据共享更高效，但也带来同步与互斥的管理挑战。

（二）多线程的优势

1. 提升程序响应速度：以图形界面程序为例，主线程负责界面显示与交互，若将耗时任务置于单线程执行，会使主线程阻塞，导致界面卡顿。而多线程能把耗时任务分配到其他线程，主线程得以及时响应用户操作，提升用户体验。

2. 充分利用多核处理器：现代计算机多核普及，多线程编程可让不同线程运行于不同核心，实现并行计算，充分挖掘多核处理器性能潜力，加速程序运行。

三、C语言多线程库

在C语言中，常用POSIX Threads（简称Pthread）库进行多线程编程，它提供丰富函数接口，助我们轻松创建、管理与同步线程，多数类Unix系统默认支持，Windows系统也可通过安装相关开发包使用。

（一）线程创建

使用pthread_create函数创建线程，其原型如下：
#include <pthread.h>
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，用于标识新线程。

• attr：线程属性指针，设为NULL时使用默认属性。

• start_routine：线程执行函数指针，新线程从此函数开始执行。

• arg：传递给线程执行函数的参数。

下面是一个简单示例：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 线程执行函数
void *print_hello(void *arg) {
    printf("Hello from thread! \n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    // 创建线程
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, print_hello, NULL);
    if (ret != 0) {
        printf("Error creating thread: %d\n", ret);
        return 1;
    }
    printf("Thread created successfully \n");
    // 等待线程结束
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}
在这段代码中，main函数创建新线程，线程执行print_hello函数，输出问候语。pthread_join函数用于等待线程结束，防止主线程提前退出。

（二）线程终止

线程执行完start_routine函数会自动终止，也可调用pthread_exit函数主动终止，其原型为：
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
retval是线程返回值，可被pthread_join获取。

（三）线程等待

pthread_join函数用于等待指定线程结束，并获取其返回值，原型如下：
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
• thread：要等待的线程标识符。

• retval：用于存储线程返回值的指针。

四、多线程同步与互斥

多线程共享资源时，会出现数据竞争与不一致问题，需同步与互斥机制解决。

（一）互斥锁（Mutex）

互斥锁确保同一时刻只有一个线程能访问共享资源。使用pthread_mutex_t定义互斥锁，通过pthread_mutex_init初始化，pthread_mutex_lock加锁，pthread_mutex_unlock解锁 。示例如下：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_variable = 0;

void *increment_variable(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    shared_variable++;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    pthread_create(&thread1, NULL, increment_variable, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, increment_variable, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    printf("Final value of shared_variable: %d\n", shared_variable);
    return 0;
}
此例中，两个线程都尝试增加shared_variable，互斥锁保证该变量操作的原子性，避免数据竞争。

（二）条件变量（Condition Variable）

条件变量用于线程间通信与同步，线程可在满足特定条件时被唤醒。用pthread_cond_t定义，pthread_cond_init初始化，pthread_cond_wait等待条件，pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast唤醒线程。示例如下：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int data_ready = 0;

void *producer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 模拟数据生产
    data_ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!data_ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("Consumer got data \n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}
这里生产者线程生产数据后发信号，消费者线程等待信号，收到后处理数据，实现线程间协作。

五、总结

本文为C语言多线程编程的初学者指南，从基础概念到线程库使用，再到同步与互斥机制，通过简单示例深入讲解。多线程编程虽有挑战，但只要掌握核心要点，勤加练习，就能编写出高效、并发的C语言程序，开启更广阔编程天地。