C 语言中的并发与线程

# 1. C 语言中的并发编程基础

## 1.1 什么是并发编程

在计算机领域，**并发编程**是指程序中存在多个独立的执行线索，这些线索可以同时执行或交替执行，从而提高程序的性能和效率。

## 1.2 C 语言中的并发编程概念

在C语言中，并发编程主要通过**线程**实现，线程是程序执行中一个单独的控制流。C语言中使用线程库来创建和管理线程，如`pthread`库。

## 1.3 并发编程的优势和应用场景

并发编程可以提高程序的性能和响应速度，特别适用于需要同时处理多个任务或实现实时交互的场景。常见的应用包括服务器编程、图形界面程序和多媒体处理等领域。

# 2. C 语言中的线程基础

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。在 C 语言中，线程的概念也被广泛应用于并发编程中。

### 2.1 理解线程概念

在 C 语言中，线程是指操作系统能够进行独立调度的基本单位。与进程不同，线程在同一进程下共享相同的内存空间，因此线程之间的通信和同步相对容易实现，同时也存在一些并发编程中需要注意的问题。

### 2.2 C 语言中的线程创建和管理

在 C 语言中，线程的创建和管理通常借助于 pthread 库。下面是一个简单的创建线程的示例代码：

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

void *thread_func(void *arg) {
    int *thread_num_ptr = (int *)arg;
    printf("Thread %d is running\n", *thread_num_ptr);
    sleep(1);
    printf("Thread %d is finished\n", *thread_num_ptr);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int thread_num = 1;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &thread_num);
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，我们通过 `pthread_create` 函数创建一个新的线程，并通过 `pthread_join` 函数等待线程结束。这样就实现了线程的简单创建和管理。

### 2.3 线程同步与互斥

在多线程编程中，线程之间的操作可能会导致数据竞争和不确定性的结果，因此需要使用线程同步机制来确保线程间的正确执行。常用的线程同步手段包括互斥锁、条件变量等。

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

int count = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void *thread_func(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    count++;
    printf("Thread %d, count: %d\n", *((int *)arg), count);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t tid[3];
    int thread_num[3] = {1, 2, 3};

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&tid[i], NULL, thread_func, &thread_num[i]);
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(tid[i], NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用互斥锁 `pthread_mutex_t` 来保护全局变量 `count` 的同步访问，避免多个线程同时修改导致数据错误。

通过理解线程的概念、学习线程的创建和管理，以及掌握线程同步与互斥的基本方法，可以更好地在 C 语言中进行并发编程。

# 3. C 语言中的并发编程模型

在 C 语言中，实现并发编程主要是通过多线程来实现的。下面将介绍 C 语言中的并发编程模型，包括线程模型和线程池的概念和实现。

### 3.1 线程模型 vs 进程模型

在并发编程中，线程模型和进程模型是两种常见的并发编程模型。在 C 语言中，主要使用线程模型来进行并发编程。

- **线程模型**：线程是轻量级的执行单元，多个线程可以共享同一进程的资源，各个线程之间可以方便地进行通信和同步。线程之间的切换开销较小，适合并发编程。
- **进程模型**：进程是独立的执行单元，每个进程有自己独立的内存空间，进程之间通信复杂，而且切换进程的开销相对较大，不如线程高效。

### 3.2 C 语言中的多线程编程模型

在 C 语言中，使用 `pthread` 库来实现多线程编程。`pthread` 是 POSIX 线程标准的实现，提供了一系列函数用于创建和管理线程。

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

void* thread