多线程编程基础：掌握C语言中的线程库

# 1. 第一章 引言

## 1.1 什么是多线程编程

多线程编程是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程有自己的独立执行路径。多线程编程可以充分利用多核处理器的并行处理能力，提高程序的执行效率。

## 1.2 为什么需要多线程编程

随着计算机硬件的快速发展，单个处理器的速度已经不能满足日益复杂的应用需求。多线程编程可以将任务分解成多个更小的子任务，由多个线程并行执行，提高程序的响应速度和处理能力。

## 1.3 C语言中的线程库介绍

在C语言中，可以使用POSIX线程库（Pthreads）来进行多线程编程。Pthreads提供了对多线程的支持，包括线程的创建、销毁、同步与互斥、线程通信与数据共享等功能。

Pthreads库提供了一组函数和数据类型，可以方便地操作线程相关的操作。在使用Pthreads库时，需要包含头文件`<pthread.h>`，并链接相应的线程库。

接下来，我们将详细介绍多线程编程的各个方面内容。

# 2. 线程的创建与销毁

在多线程编程中，线程的创建和销毁是非常重要的操作。本章将详细介绍如何创建和销毁线程，并展示如何创建多个线程。

### 2.1 线程的创建

在C语言中，我们可以使用`pthread_create`函数来创建一个新的线程。该函数的原型如下：

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

- `thread`：用于存储新线程ID的指针。
- `attr`：线程的属性（可选参数），一般设置为`NULL`。
- `start_routine`：线程的入口函数，即线程要执行的任务。
- `arg`：传递给线程入口函数的参数。

下面是一个简单的例子，演示如何创建一个线程：

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

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

int main() {
    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
    if (ret) {
        printf("Error: pthread_create() failed\n");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个线程入口函数`thread_func`，该函数会打印出线程的编号，并在每次打印后等待1秒钟。在`main`函数中，我们使用`pthread_create`创建了一个线程，并传入`thread_func`作为线程的入口函数。`pthread_join`函数用于等待线程的结束。

### 2.2 线程的销毁

在线程的工作完成后，我们需要对线程进行销毁，释放相关的资源。在C语言中，我们可以使用`pthread_exit`函数或`pthread_cancel`函数来实现线程的销毁。

- `pthread_exit`：用于线程主动退出，其原型如下：

void pthread_exit(void *retval);

- `pthread_cancel`：用于请求取消一个线程，即将线程标记为“取消请求”状态，由线程自行决定在何时取消。其原型如下：

int pthread_cancel(pthread_t thread);

下面是一个简单的例子，演示如何使用`pthread_exit`函数来销毁线程：

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

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

int main() {
    pthread_t thread;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
    if (ret) {
        printf("Error: pthread_create() failed\n");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Main Thread Exiting\n");
    return 0;
}

在上述示例中，线程在完成5次打印后调用了`pthread_exit(NULL)`来退出线程，并在`main`函数中用`pthread_join`等待线程的结束。最后，主线程打印了一条消息表示自己的退出。

### 2.3 创建多个线程

除了创建单个线程，在多线程编程中，创建多个线程也是非常常见的操作。我们可以使用循环结构来创建多个线程，每个线程执行不同的任务。

下面是一个简单的例子，演示如何创建多个线程：

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

#define NUM_THREADS 5

void* thread_func(void* arg) {
    int tid = *((int*) arg);
    printf("Thread ID: %d\n", tid);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int thread_ids[NUM_THREADS];
    int i;
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        thread_ids[i] = i;
        int ret = pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, (void*) &thread_ids[i]);
        if (ret) {
            printf("Error: pthread_create() failed\n");
            return 1;
        }
    }
    for (i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    printf("Main Thread Exiting\n");
    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个线程入口函数`thread_func`，该函数会打印出线程的ID。在`main`函数中，我们循环创建了5个线程，并将线程ID作为参数传递给线程入口函数。最后，使用`pthread_join`等待所有线程的结束。

通过上述示例，我们可以看到如何在C语言中创建和销毁线程，并实现多个线程的同时执行。在实际应用中，我们可以根据具体需求来创建和管理线程，以提高程序的并发性和性能。

# 3. 线程同步与互斥

在多线程编程中，线程之间的同步与互斥是非常重要的概念。当多个线程并发访问共享资源时，往往需要进行同步操作以避免数据竞争和不确定的行为。下面将介绍互斥锁、条件变量和信号量的概念与使用。

#### 3.1 互斥锁的概念与使用

互斥锁（Mutex）是一种常用的线程同步机制，用于保护临界区资源，确保在同一时刻只有一个线程访问共享资源。在C语言中，互斥锁的使用通常包括初始化、加锁和解锁操作。

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

pthread_mutex_t mutex;

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    // 访问临界区资源
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
    pthread_create(&tid, NULL, thread_function, NULL);
    // 其他操作
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
    return 0;
}

在以上示例中，`pthread_mutex_lock`用于加锁，`pthread_mutex_unlock`用于解锁，确保同一时刻只有一个线程可以进入临界区。同时在主函数中，使用`pthread_mutex_init`进行互斥锁的初始化，`pthread_mutex_destroy`进行销毁。

#### 3.2 条件变量的概念与使用

条件变量（Condition Variable）通常与互斥锁配合使用，用于线程间的同步和通信，允许线程在某个条件成立时等待，并在条件发生变化时通知其他线程。在C语言中，条件变量的使用包括初始化、等待和通知操作。

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