C语言并发编程入门：线程与进程协同工作秘籍

# 1. 并发编程的基础概念和模型

## 1.1 并发与并行的区别
在介绍并发编程之前，我们需要明确并发和并行这两个概念。并发是指在操作系统级别，系统能够同时处理多个任务的能力，即使这些任务在任意时刻可能并没有真正地同时执行。并行则是指在物理硬件上，多个任务在真实的同时性条件下同时执行。

## 1.2 并发编程的目的
并发编程的目的是为了提高程序的执行效率，通过在多核处理器上同时执行多个任务来缩短程序的响应时间和处理时间，从而提高应用程序的性能和吞吐量。

## 1.3 并发模型概览
并发编程模型提供了多种方式来组织和管理并发任务。常见的并发模型包括线程模型、事件驱动模型、基于消息传递的模型等。了解这些模型有助于我们更好地实现和优化并发程序。

在接下来的章节中，我们将深入了解C语言中的进程控制、线程编程实践、内存管理、高级主题，并通过案例分析来掌握并发编程的应用。

# 2. C语言中的进程控制

## 2.1 进程的基本概念

### 2.1.1 进程的创建与终止

在操作系统中，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，它是程序执行时的一个实例。在C语言中，进程的创建和终止是通过系统调用来实现的。在类Unix系统中，通常使用`fork()`系统调用来创建一个子进程。子进程是父进程的一个副本，它将从父进程处继承大部分属性，包括程序计数器、寄存器以及打开文件的描述符。

创建子进程后，父子进程可以使用`exec()`系列函数来加载新的程序映像，从而执行不同的任务。进程终止通常发生在程序执行完毕时，也可以通过`exit()`系统调用显式地终止进程。

### 2.1.2 进程的状态与调度

进程从创建到终止，会经历多种状态，主要包括以下几种：
- 运行态（Running）：进程正在处理器上运行。
- 就绪态（Ready）：进程具备运行条件，等待系统分配处理器资源。
- 阻塞态（Blocked）：进程等待某个事件的发生（如I/O完成）。

进程调度是操作系统内核的重要功能之一，它负责按照某种策略选择一个就绪进程并将处理器分配给它。在类Unix系统中，进程调度通常是由系统的调度器（scheduler）来管理的。调度算法的设计目标是提高系统吞吐量、减少进程响应时间等。

## 2.2 进程间的通信（IPC）

### 2.2.1 管道（Pipes）

管道是一种最基本的IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）机制，它允许一个进程和另一个进程之间的单向数据流。在Unix系统中，管道可以通过`pipe()`系统调用来创建。管道的一个常见用途是，在父进程中创建一个管道，然后创建一个子进程，并使用`fork()`。通过管道，父进程可以将信息传递给子进程，或者子进程可以将信息传递给父进程。

### 2.2.2 消息队列

消息队列允许不同的进程读写具有特定格式的消息。消息队列具有一定的结构，不同进程可以向同一队列发送消息，而另一个进程可以接收这些消息。消息队列通常通过`msgget()`、`msgsnd()`和`msgrcv()`等系统调用来操作。

### 2.2.3 共享内存

共享内存允许多个进程共享一定数量的存储区，这是最快的一种IPC机制，因为进程是直接对内存进行读写。在使用共享内存之前，通常需要使用`shmget()`创建一个共享内存段，然后通过`shmat()`将其附加到进程的地址空间。进程在完成对共享内存的访问后，需要使用`shmdt()`进行分离，并且在不再需要时通过`shmctl()`进行删除。

## 2.3 线程的引入与线程控制

### 2.3.1 线程与进程的区别

线程是进程内的一个执行单元，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一个进程中可以包含多个线程，它们可以并发执行。线程与进程的主要区别在于资源分配的粒度和独立性。进程拥有自己独立的地址空间，而线程共享进程的资源和地址空间。

### 2.3.2 创建和终止线程

在POSIX线程（pthread）库中，创建线程使用`pthread_create()`函数。该函数需要指定一个线程的标识符，并且传入要运行的线程函数以及该函数所需的参数。线程终止通常发生在线程函数返回时，也可以通过`pthread_exit()`来显式地终止线程。

### 2.3.3 线程同步机制

由于多个线程可能会同时访问相同的共享资源，因此需要同步机制来避免竞争条件。最常用的同步机制包括互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）和条件变量（Condition Variables）。互斥锁可以保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源。信号量是一种更通用的同步机制，它可以允许多个线程根据信号量的值来访问资源。条件变量允许线程在某个条件不满足时进入睡眠状态，直到其他线程改变条件并发出通知。

为了更好地理解和实现线程同步，以下是使用互斥锁保护共享资源的代码示例：

#include <pthread.h>

// 定义互斥锁
pthread_mutex_t lock;

void *function(void *ptr) {
    // 锁定互斥锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    // 临界区：访问共享资源的代码
    // ...
    // 释放互斥锁
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

int main() {
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    pthread_t thread_id;
    // 创建线程
    pthread_create(&thread_id, NULL, function, NULL);
    // 等待线程结束
    pthread_join(thread_id, NULL);
    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}

该代码段创建了一个互斥锁`lock`来保护临界区的代码，确保任何时候只有一个线程可以执行这部分代码。这样就可以避免多个线程同时修改共享资源，导致数据不一致的问题。

接下来的章节，我们将深入了解POSIX线程库的使用以及线程同步机制的深入应用。

# 3. C语言中的线程编程实践

在上一章中，我们深入探讨了C语言中的进程控制，包括进程的基本概念、进程间的通信以及线程的引入与控制。现在，我们将目光转向线程编程实践，这一步骤对于实际开发中充分利用多核处理器的计算资源至关重要。本章节将通过具体示例，展示如何利用POSIX线程库（pthread）在C语言中创建和管理线程，同步线程间的操作以及协同工作。

## 3.1 线程的创建和管理

线程的创建是并发编程中的基础操作之一。在C语言中，线程通过POSIX线程库（pthread）来创建和管理。pthread库提供了丰富的接口来支持多线程编程。

### 3.1.1 POSIX线程库的使用

POSIX线程库是UNIX系统上实现线程功能的API集。使用pthread库的第一步是链接pthread库，通常在编译时通过 `-pthread` 参数来完成。在代码中，使用`pthread_create`函数来创建新线程。

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

void* thread_function(void* arg) {
    // 线程运行的代码
    printf("Hello from the thread!\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    int res = pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    if (res != 0) {
        perror("Thread creation failed");
        return 1;
    }

    printf("Hello from the main thread!\n");

    pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束
    return 0;
}

在上述代码中，`pthread_create`函数负责创建一个新线程，其参数依次为：线程标识符、线程属性、线程运行函数以及传递给线程函数的参数。创建线程后，主函数继续执行，而新线程将运行`thread_function`函数。使用`pthread_join`函数可确保主函数等待线程结束，以避免出现“僵尸线程”。

### 3.1.2 线程属性的设置与获取

线程属性包括线程栈大小、调度策略、优先级等。pthread库提供了`pthread_at