第12章：多线程编程

12.1 多线程基础

1. 什么是线程

线程是进程中的一个执行单元，每个线程都共享进程的内存空间，但有自己独立的栈空间。使用多线程可以使程序同时执行多个任务。

2. POSIX线程（pthread）库

POSIX线程库是C语言中用于多线程编程的标准库。它提供了创建、管理、同步线程的API。

编译时链接pthread库：

gcc your_program.c -o your_program -lpthread

12.2 创建和管理线程

1. 创建线程

使用 pthread_create 函数创建一个新线程。

语法：

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

• thread：新线程的标识符。
• attr：线程属性（通常为NULL，表示使用默认属性）。
• start_routine：线程函数，即线程的入口函数。
• arg：传递给线程函数的参数。

示例：

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

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

int main() {
    pthread_t thread; // 线程标识符

    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, printMessage, NULL) != 0) {
        printf("Error creating thread\n");
        return 1;
    }

    // 等待线程结束
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Thread has finished execution.\n");

    return 0;
}

2. 等待线程完成

使用 pthread_join 等待线程完成执行。

语法：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

• thread：线程标识符。
• retval：线程退出状态的指针（可以为NULL）。

12.3 线程同步

在多线程环境中，多个线程可能同时访问共享资源，导致数据不一致的问题。使用同步机制（如互斥锁、条件变量等）来防止这种情况。

1. 互斥锁

互斥锁（mutex）用于确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。

相关函数：

• pthread_mutex_init：初始化互斥锁。
• pthread_mutex_lock：加锁。
• pthread_mutex_unlock：解锁。
• pthread_mutex_destroy：销毁互斥锁。

示例：

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

pthread_mutex_t lock;
int counter = 0;

void *incrementCounter(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁
    counter++;
    printf("Counter: %d\n", counter);
    pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[5];

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

    // 创建多个线程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, incrementCounter, NULL);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

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

    return 0;
}

2. 条件变量

条件变量（condition variable）用于使线程在某个条件成立前进入等待状态，并在条件成立时唤醒线程。

相关函数：

• pthread_cond_init：初始化条件变量。
• pthread_cond_wait：等待条件变量。
• pthread_cond_signal：唤醒一个等待条件变量的线程。
• pthread_cond_broadcast：唤醒所有等待条件变量的线程。
• pthread_cond_destroy：销毁条件变量。

示例：

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

pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;
int ready = 0;

void *waitForSignal(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while (!ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &lock); // 等待信号
    }
    printf("Thread received signal.\n");
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

void *sendSignal(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond); // 发送信号
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    // 初始化互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    // 创建线程
    pthread_create(&thread1, NULL, waitForSignal, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, sendSignal, NULL);

    // 等待线程完成
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

12.4 线程属性

线程属性（pthread_attr_t）用于设置线程的行为，如分离状态、栈大小、调度策略等。

相关函数：

• pthread_attr_init：初始化线程属性对象。
• pthread_attr_setdetachstate：设置线程分离状态。
• pthread_attr_destroy：销毁线程属性对象。

示例：设置线程为分离状态

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

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

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_attr_t attr;

    // 初始化线程属性对象
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置线程为分离状态

    // 创建分离线程
    pthread_create(&thread, &attr, threadFunction, NULL);

    // 销毁线程属性对象
    pthread_attr_destroy(&attr);

    // 主线程不需要等待分离线程
    printf("Main thread finished.\n");

    return 0;
}

12.5 线程安全

在多线程编程中，需要确保所有共享数据的访问都是线程安全的。使用互斥锁、条件变量和原子操作（如__sync函数）可以保证线程安全。

练习

1. 编写一个程序，创建多个线程，每个线程递增一个共享计数器100次，并使用互斥锁确保线程安全。
2. 编写一个生产者-消费者程序，使用条件变量和互斥锁来同步生产者和消费者线程的操作。
3. 使用POSIX线程库编写一个简单的线程池，实现线程的复用和任务的分发。
4. 编写一个程序，模拟一个简单的银行账户系统，允许多个线程同时执行存款和取款操作，确保数据一致性。

完成这些练习后，你将掌握C语言的多线程编程。