[学习] C语言编程中线程安全的实现方法（示例）

🧵C语言编程中线程安全的实现方法

在多线程编程中，线程安全（Thread Safety） 是一个非常重要的概念。当多个线程同时访问共享资源时，如果没有合理的同步机制，就可能导致数据竞争、死锁甚至程序崩溃。

本文将详细介绍在 C语言 中如何实现线程安全的几种主要方式，并提供可以实际运行的代码示例。

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🔹 一、什么是线程安全？

线程安全是指：当多个线程并发访问某个函数或对象时，其行为仍然正确，不会因为并发访问而产生错误结果。

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🔹 二、C语言中线程安全的实现方式

在C语言中，最常用的线程库是 POSIX Threads（pthread）。我们主要使用以下机制来实现线程安全：

1. 互斥锁（Mutex）
2. 读写锁（Read-Write Lock）
3. 条件变量（Condition Variable）
4. 原子操作（Atomic Operations）
5. 线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）

下面我们逐一介绍每种方法，并给出完整示例代码。

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🔸 方法一：互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本也是最常用的同步机制。它可以保证同一时间只有一个线程能访问共享资源。

✅ 示例：用互斥锁保护计数器

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

int counter = 0;
pthread_mutex_t lock; // 定义互斥锁

void* increment_counter(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);

    // 创建两个线程
    pthread_create(&t1, NULL, increment_counter, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment_counter, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&lock);

    printf("Final counter value: %d\n", counter); // 应为 200000
    return 0;
}

📌 编译命令：

gcc -o mutex_example mutex_example.c -lpthread

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🔸 方法二：读写锁（Read-Write Lock）

适用于读多写少的场景。允许多个线程同时读取资源，但只允许一个线程写入。

✅ 示例：读写锁保护共享结构体

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    char data[128];
} SharedData;

SharedData shared;
pthread_rwlock_t rwlock; // 定义读写锁

void* reader(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("Reader: %s\n", shared.data);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void* writer(void* arg) {
    const char* messages[] = {"Hello", "World", "Thread", "Safety", "Example"};
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        strcpy(shared.data, messages[i]);
        printf("Writer: Updated to '%s'\n", shared.data);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(2);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t r1, r2, w1;

    // 初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    // 初始化共享数据
    strcpy(shared.data, "Initial");

    // 创建线程
    pthread_create(&r1, NULL, reader, NULL);
    pthread_create(&r2, NULL, reader, NULL);
    pthread_create(&w1, NULL, writer, NULL);

    // 等待所有线程完成
    pthread_join(r1, NULL);
    pthread_join(r2, NULL);
    pthread_join(w1, NULL);

    // 销毁锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

📌 编译命令：

gcc -o rwlock_example rwlock_example.c -lpthread

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🔸 方法三：条件变量（Condition Variable）

用于线程间的通信，常与互斥锁配合使用，等待某个条件成立后再继续执行。

✅ 示例：生产者-消费者模型

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

#define MAX_ITEMS 5

int buffer = -1;
int count = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t not_empty, not_full;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == MAX_ITEMS) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);
        }
        buffer = i;
        count++;
        printf("Produced: %d\n", i);
        pthread_cond_signal(&not_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);
        }
        int item = buffer;
        count--;
        printf("Consumed: %d\n", item);
        pthread_cond_signal(&not_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(2);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    // 初始化锁和条件变量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&not_empty, NULL);
    pthread_cond_init(&not_full, NULL);

    // 创建线程
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL);

    // 清理资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&not_empty);
    pthread_cond_destroy(&not_full);

    return 0;
}

📌 编译命令：

gcc -o condvar_example condvar_example.c -lpthread

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🔸 方法四：原子操作（Atomic Operations）

适用于对某些变量进行不可中断的操作，如递增、比较交换等。

注意：C11标准引入了 _Atomic 类型和 <stdatomic.h> 头文件。

✅ 示例：使用原子变量实现计数器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdatomic.h>

_Atomic int atomic_counter = 0;

void* inc_atomic(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        atomic_fetch_add(&atomic_counter, 1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, NULL, inc_atomic, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, inc_atomic, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Atomic counter final value: %d\n", atomic_counter); // 应为 200000
    return 0;
}

📌 编译命令：

gcc -o atomic_example atomic_example.c -lpthread -std=c11

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🔸 方法五：线程局部存储（TLS）

每个线程拥有独立的变量副本，避免共享带来的竞争问题。

✅ 示例：使用 __thread 关键字（GCC扩展）

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

__thread int tls_counter = 0; // 每个线程独立的计数器

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        tls_counter++;
        printf("Thread %ld: tls_counter = %d\n", pthread_self(), tls_counter);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    return 0;
}

📌 编译命令：

gcc -o tls_example tls_example.c -lpthread

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🔹 总结对比表

方法	特点	使用场景
互斥锁	简单易用，粒度粗	写操作频繁
读写锁	支持并行读	读多写少
条件变量	配合互斥锁使用，支持等待通知	生产者-消费者、状态等待
原子操作	轻量级，无需锁	单个变量的简单操作
线程局部存储	线程独享变量	日志、缓存、线程私有数据

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🔹 小贴士

• 合理选择同步机制，避免过度加锁导致性能下降。
• 使用 RAII 或宏封装锁操作，减少死锁风险。
• 对于高性能场景，可以考虑无锁队列、CAS算法等高级技术。

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🔁 结语

线程安全是编写健壮多线程程序的基础。通过合理使用互斥锁、读写锁、条件变量、原子操作和线程局部存储，你可以有效避免多线程环境下的各种并发问题。

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