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linux c语言进阶 - 线程，通信方式，安全方式（多并发）

news 2025/7/26 15:21:20

线程

1. 概念

线程是程序中执行的最小单位，它属于进程的一部分。每个进程至少包含一个线程（主线程）。线程共享进程的资源（如内存空间、文件描述符等），但每个线程有自己的堆栈、程序计数器等。多线程编程允许程序在同一时间并行执行多个任务。

1.1 线程与进程的区别

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程有独立的内存空间（4G）。

线程是程序执行的基本单位，是在进程内运行的独立执行流。线程之间共享进程的内存空间、打开的文件、信号量等资源。

1.2 线程的作用

1. 并发执行：在多核cpu的下，可以通知执行多个线程，效率高。比如16核，那可以通过调度16个线程（多个进程）

2. 异步执行：不用同步执行。**等会写代码来测试。**

2. 线程的使用

2.1 线程的创建

pthread_create() 函数用于创建一个线程。

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

参数：

1. thread : 线程 ID 变量指针
2. attr : 线程属性,默认属性可设置为 NULL
3. start_routine : 线程执行函数
4. arg : 线程执行函数的参数

返回值：

成功 : 返回 0
失败 : 返回错误码

注意：

一旦子线程创建成功,则会被独立调度执行,并且与其他线程 并发执行
创建多个线程时，⼀般由主线程统⼀创建，并等待释放资源或者分离线程, 不要递归创建。
在编译时需要链接 -lpthread

task.json（要修改编译语句）
"args": ["-fdiagnostics-color=always","-g","${file}","-o","${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}","-lpthread"],

pthread_t 是线程的标识符。
thread_function 是线程的执行函数。
pthread_join() 用于等待线程的结束。

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

参数
thread : 线程 ID
retval : 获取线程退出值的指针

返回值
成功 : 返回 0
失败 : 返回错误码

注意

线程分离函数不会阻塞线程的执行

pthread_exit()退出

void pthread_exit(void *retval);

参数：

retval : 线程返回值,通过指针传递

返回值：

成功：返回 0
失败 : 返回 -1

注意：

1.当主线程调用 pthread_exit 函数时，进程不会结束，也不会导致其他子线程退出 2.任何线程调用 exit 函数会让进程结束

3.在线程函数内部显式调用 `pthread_exit()退出线程。 4.可以用于线程任意位置退出（不一定要在函数末尾）。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>void *demo(void *arg)
{printf("子线程!\n");return NULL;
}/*线程*/
int main(int argc, char const *argv[])
{// 创建一个pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, demo, NULL);pthread_join(tid, NULL);return 0;
}

2.2 线程的生命周期

线程的生命周期分为以下几个阶段：

创建阶段：调用 pthread_create() 创建线程。

执行阶段：线程开始执行它的任务，执行完线程函数后线程自动终止。

终止阶段：线程执行完成后会通过 pthread_exit() 或返回函数退出，终止其生命周期。

等待阶段：线程通过 pthread_join() 被主线程或其他线程等待直到完成。

清理阶段：线程退出时会自动进行清理，释放资源。

2.3 线程的销毁

自动销毁：线程结束时，系统会回收资源。

手动销毁：使用 pthread_cancel() 可以取消线程，但这需要特别小心，避免线程处于不确定状态。

3. 线程间的通讯（信号，信道，消息队列，共享内存，信号量）

linux c语言进阶 - 进程，通信方式-CSDN博客此文章介绍了一些进程的相关方法，需要的同志可以看一下。

3.1 共享内存

由于线程共享进程的内存空间，它们可以直接通过共享内存进行通信。不同线程可以修改共享变量或数据结构。但这也引发了 线程安全 的问题。

3.2 条件变量（Condition Variable）

条件变量是一种线程同步机制，用于在某个条件满足时唤醒线程。条件变量常与互斥锁一起使用。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;void *thread_function(void *arg) {pthread_mutex_lock(&mutex);pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件变量printf("Condition met, thread proceeding\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}int main() {pthread_t thread_id;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);// 模拟条件满足pthread_mutex_lock(&mutex);pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒等待的线程pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_join(thread_id, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

3.3 信号量（Semaphore）

信号量是另一种线程同步机制，通常用于控制多个线程访问共享资源的数量。(有名无名)

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>#define NUM_THREADS 4
#define TOTAL_TICKETS 1000int ticket_count = TOTAL_TICKETS;
sem_t semaphore;void* sell_tickets(void* arg) {while (1) {sem_wait(&semaphore); // 获取信号量if (ticket_count <= 0) {sem_post(&semaphore); // 释放信号量break;}// 模拟售票处理时间struct timespec sleep_time = {0, 1000000}; // 1毫秒nanosleep(&sleep_time, NULL);printf("线程%ld卖出第%d张票\n", (long)arg, ticket_count);ticket_count--;sem_post(&semaphore); // 释放信号量}return NULL;
}int main() {pthread_t threads[NUM_THREADS];sem_init(&semaphore, 0, 1); // 初始值为1的二进制信号量// 创建售票线程for (long i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, sell_tickets, (void*)i);}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}sem_destroy(&semaphore);printf("所有票已售罄\n");return 0;
}

3.4 互斥锁（Mutex）

互斥锁用于保护共享资源，避免多个线程同时访问共享资源，从而导致数据不一致。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>#define NUM_THREADS 4
#define TOTAL_TICKETS 1000int ticket_count = TOTAL_TICKETS;
pthread_mutex_t lock;void* sell_tickets(void* arg) {while (1) {pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁if (ticket_count <= 0) {pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁break;}// 模拟售票处理时间struct timespec sleep_time = {0, 1000000}; // 1毫秒nanosleep(&sleep_time, NULL);printf("线程%ld卖出第%d张票\n", (long)arg, ticket_count);ticket_count--;pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁}return NULL;
}int main() {pthread_t threads[NUM_THREADS];pthread_mutex_init(&lock, NULL);// 创建售票线程for (long i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, sell_tickets, (void*)i);}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}pthread_mutex_destroy(&lock);printf("所有票已售罄\n");return 0;
}