C++并发编程模型与多线程控制

一、引言

## 1.1 简介

并发编程是指在计算机程序中同时执行多个独立的计算任务的技术。随着计算机硬件的发展和多核处理器的普及，利用多线程进行并发编程成为一种常见的做法。在并发编程中，多个线程能够同时运行，从而提高程序的处理能力和性能。

## 1.2 并发编程的重要性

并发编程在现代软件开发中扮演着重要角色。通过利用多线程，可以将一个程序的不同部分并行运行，从而加快程序的执行速度。并发编程还可以提高程序的响应能力，对于需要处理多个请求或并发执行多个任务的应用场景非常有用。此外，并发编程还能够提高程序的资源利用率，并充分利用计算机硬件的性能。然而，并发编程也带来了一些挑战和问题，如线程安全性、竞态条件等，需要我们仔细处理。

在接下来的章节中，我们将深入探讨 C 语言中的并发编程模型和多线程控制的相关知识，帮助读者在实践中编写高效、安全的并发程序。
## 二、C 语言中的并发编程模型

### 2.1 单线程 vs 多线程

在介绍并发编程之前，我们先来了解一下单线程和多线程之间的区别。在传统的编程模型中，程序是按照顺序执行的，即一条一条地执行代码，直到程序结束。这种模型称为单线程模型。

然而，随着计算机处理能力的提高，单线程模型已经不能满足我们对程序执行效率和响应能力的要求。为了充分利用多核处理器和并发执行的优势，我们引入了多线程的概念。

多线程是指在一个程序中同时运行多个线程，每个线程都有自己的执行路径和执行上下文。多线程模型可以提高程序的并发性和响应能力。多线程可以同时执行多个任务，提高程序的效率。

### 2.2 进程 vs 线程

在并发编程中，我们经常听到进程（Process）和线程（Thread）这两个概念。进程和线程是操作系统中两个重要的概念，它们具有不同的特点和用途。

进程是指操作系统中正在运行的程序的实体。每个进程都有自己独立的内存空间和资源。进程之间相互独立，彼此隔离，通信和同步需要通过进程间的特殊机制来进行。

线程是进程中的一个执行单位。同一个进程中的线程共享相同的内存空间和资源。线程之间可以方便地进行通信和同步，线程的创建和销毁的开销相对较小。

### 2.3 线程的创建和销毁

在 C 语言中，我们可以使用线程库来创建和管理线程。常见的线程库有 POSIX 线程库（pthread）和 Windows 线程库。下面是一个使用 POSIX 线程库创建线程的示例代码：

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

void* worker(void* arg) {
    int* num = (int*)arg;
    printf("Worker thread: num = %d\n", *num);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    int num = 10;
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, worker, (void*)&num);
    if (ret != 0) {
        printf("Failed to create thread\n");
        return -1;
    }

    pthread_join(thread, NULL);
    printf("Main thread: Worker thread has finished\n");
    
    return 0;
}

在这个示例代码中，我们通过 `pthread_create` 函数创建了一个新的线程，并指定了线程的入口函数为 `worker`。`worker` 函数会在新线程中执行。通过传递参数 `(void*)&num`，我们将 `num` 的值传递给线程。

在 `main` 函数中，我们使用 `pthread_join` 函数等待线程结束，并输出提示信息。

### 2.4 线程间通信与同步

在多线程编程中，线程之间经常需要进行通信和同步。通信（Communication）是指线程之间交换数据或信息的过程。同步（Synchronization）是指线程之间相互协调和协作的机制。

常用的线程间通信和同步的机制有共享内存、信号量、互斥锁、条件变量等。不同的机制适用于不同的场景和需求。

例如，我们可以使用互斥锁（Mutex）来保护共享资源的访问，防止多个线程同时访问导致数据错误。下面是一个使用互斥锁实现线程安全的示例代码：

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

int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void* worker(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++;
    printf("Worker thread: counter = %d\n", counter);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    pthread_create(&thread1, NULL, worker, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, worker, NULL);
    
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    printf("Main thread: Worker threads have finished\n");
    
    return 0;
}

在这个示例代码中，我们使用互斥锁 `pthread_mutex_t` 来保护 `counter` 变量的并发访问。在线程的入口函数 `worker` 中，我们通过 `pthread_mutex_lock` 函数获得互斥锁，执行临界区代码，然后通过 `pthread_mutex_unlock` 函数释放互斥锁。

通过互斥锁的保护，我们能够确保 `counter` 的自增操作是线程安全的，并且输出的结果是按照预期的顺序递增的。

以上是 C 语言中并发编程模型的基本介绍，下面我们将继续讨论 C 语言的多线程控制。
### 三、C 语言的多线程控制

在 C 语言中，多线程控制是并发编程中的重要组成部分。通过对线程的启动和终止、调度与优先级、同步与互斥以及并发与并行的控制，可以实现复杂的并发逻辑和处理。

#### 3.1 线程的启动和终止

在 C 语言中，