何荣 / 项目档案

Appearance

[English version](/posts/c教程/en-US/09-Portable and Modern C/085-Threading with pthreads)

现代计算机同时运行许多东西。您的 Web 浏览器、文本编辑器和编译器都通过线程共享 CPU 时间。在 C 语言中，最广泛使用的线程 API 是 POSIX 线程，或 pthreads。它是低级的、可移植的，并为您提供对并行执行的细粒度控制。

本节将教您如何安全地创建、管理和同步线程。

步骤 1. 什么是线程？ ​

线程是一个轻量级的执行单元，与进程中的其他线程共享相同的内存空间。

流程主题
拥有自己的内存（栈、堆、代码）与其他线程共享内存
由操作系统创建由进程创建
起步贵便宜且快速启动
通过IPC通讯通过共享内存进行通信

线程非常适合处理多个网络请求、执行并行计算或保持 UI 响应等任务。

步骤 2. 包括 pthreads ​

要使用 pthreads，请包含标头：

#include <pthread.h>

编译时，链接pthread库：

gcc program.c -o program -lpthread

步骤 3. 创建线程 ​

每个线程运行一个单独的函数。该函数必须接受并返回void *.

小代码：基本线程创建

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
void* task(void* arg) {
    printf("Hello from thread! Arg = %d\n", *(int*)arg);
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t thread;
    int value = 42;
    pthread_create(&thread, NULL, task, &value);
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Main thread finished.\n");
    return 0;
}

输出：

Hello from thread! Arg = 42
Main thread finished.

解释：

-pthread_create启动一个新线程。 -pthread_join等待它完成。

步骤 4. 多线程 ​

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
void* work(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    printf("Thread %d running\n", id);
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t threads[3];
    int ids[] = {1, 2, 3};
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&threads[i], NULL, work, &ids[i]);
    for (int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_join(threads[i], NULL);
    printf("All threads done.\n");
}

输出顺序可能会有所不同，线程同时运行。

步骤 5. 竞争条件 ​

当两个线程同时修改同一个变量时，就会发生不好的事情。这称为竞争条件。

示例（不安全）：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
int counter = 0;
void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++)
        counter++;
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("Counter = %d\n", counter);
}

预期的：200000实际：不可预测（例如137421），因为增量重叠。

步骤 6. 使用互斥锁（互斥锁） ​

互斥体确保一次只有一个线程修改共享数据。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
int counter = 0;
pthread_mutex_t lock;
void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    printf("Counter = %d\n", counter);
}

现在输出将始终是200000.

步骤 7. 条件变量 ​

条件变量让线程等待信号。它们用于协调生产者-消费者模型。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;
int ready = 0;
void* worker(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while (!ready)
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    printf("Worker got the signal!\n");
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t t;
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_create(&t, NULL, worker, NULL);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock);
    ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    pthread_join(t, NULL);
}

步骤 8. 线程属性 ​

您可以使用控制线程行为pthread_attr_t:

  • 堆栈大小
  • 分离状态（可连接或分离）
  • 调度策略

例子：

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
pthread_create(&thread, &attr, task, NULL);
pthread_attr_destroy(&attr);

分离线程完成后会自动释放资源。

步骤 9. 线程安全和最佳实践 ​

  • 使用互斥体保护所有共享数据。
  • 尽可能避免全局变量。
  • 使用线程安全函数（strtok_r而不是strtok).
  • 保持关键部分简短。
  • 在程序退出之前加入或分离所有线程。

步骤 10. 小代码：并行求和 ​

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define N 4
int partial[4];
void* compute(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    int start = id * 25;
    int sum = 0;
    for (int i = start; i < start + 25; i++)
        sum += i;
    partial[id] = sum;
    return NULL;
}
int main(void) {
    pthread_t threads[N];
    int ids[N];
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        ids[i] = i;
        pthread_create(&threads[i], NULL, compute, &ids[i]);
    }
    int total = 0;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
        total += partial[i];
    }
    printf("Total sum = %d\n", total);
}

该程序将任务拆分为多个线程并组合结果。

为什么它很重要 ​

线程使您的程序更快、响应更灵敏且可扩展。它们允许 C 语言充分利用现代多核 CPU，从服务器到嵌入式系统。学习 pthread 意味着了解真实系统如何高效、安全地执行多任务。

自己尝试一下 ​

  1. 编写一个程序，启动 5 个线程，每个线程打印其 ID。
  2. 添加一个共享计数器并用互斥体保护它。
  3. 使用条件变量实现生产者-消费者队列。
  4. 使用pthread_attr_t创建分离的工作线程。
  5. 随着线程数的增加，分析程序的性能。

接下来，您将探索原子操作和内存模型，以及现代 CPU 如何在多个线程共享无锁数据时确保一致性。

本站总访问 — 次