C语言中的并发编程基础

# 1. 并发编程概述

## A. 什么是并发编程

并发编程是指计算机系统中同时执行多个独立的活动的能力。在并发编程中，多个任务可以同时执行，提高了系统的资源利用率和程序运行效率。并发编程通常涉及到线程、进程、事件等概念，主要用于解决多任务协同、资源共享、程序响应等问题。

## B. 并发编程的重要性

随着计算机技术的发展，多核处理器和分布式系统已经成为主流，利用并发编程可以更充分地发挥这些硬件资源的性能。并发编程可以提高程序的吞吐量和响应速度，使得程序能够更好地应对大规模数据和大并发访问。

## C. C语言中的并发编程概述

在C语言中，并发编程通常使用线程来实现。C语言提供了丰富的线程操作函数和标准库，开发者可以利用这些功能来实现并发编程。同时，由于C语言的底层特性，可以更加灵活地控制线程的创建、管理和同步，从而实现高效的并发编程。

# 2. 线程的创建与管理

在并发编程中，线程是一个非常重要的概念，它可以让程序同时执行多个任务，提高程序的效率和性能。

### A. 线程的概念

线程是进程中的一个执行流，是程序中一条执行路径。一个进程可以拥有多个线程，每个线程之间可以并发执行，各自独立运行。

### B. C语言中线程的创建

在C语言中，可以使用`pthread_create`函数来创建线程。下面是一个简单的示例代码，演示了如何在C语言中创建线程：

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

void* thread_function(void* arg) {
    int *ptr = (int*)arg;
    printf("This is a thread function, argument passed: %d\n", *ptr);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t my_thread;
    int value = 10;

    // 创建线程
    if (pthread_create(&my_thread, NULL, thread_function, &value)) {
        printf("Error creating thread.\n");
        return -1;
    }

    // 等待线程结束
    pthread_join(my_thread, NULL);

    printf("Main function is done.\n");
    return 0;
}

在上面的代码中，首先定义了一个线程函数`thread_function`，然后在`main`函数中使用`pthread_create`函数创建了一个新的线程，并传递了参数`value`给线程函数。最后使用`pthread_join`函数等待线程结束。

### C. 线程的状态与管理

在线程创建之后，它可以处于不同的状态，如运行、就绪、阻塞等。可以使用`pthread_join`、`pthread_detach`等函数来对线程进行管理，等待线程结束或者将线程设置为分离状态等。

总之，线程的创建和管理是并发编程中的重要内容，合理的线程管理可以提高程序的执行效率和性能。

# 3. 线程同步与互斥

在并发编程中，线程同步与互斥是非常重要的概念，用来确保多个线程能够按照一定的顺序进行访问，避免出现数据竞争和不确定的结果。本章将介绍在C语言中如何使用互斥锁进行线程同步以及信号量的使用。

#### A. 同步与互斥的概念

- **同步：** 在多线程环境中，为了保证共享资源的一致性，需要协调各个线程的执行顺序，使得它们按照一定的顺序访问共享资源。
- **互斥：** 通过互斥锁来实现对共享资源的互斥访问，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源，其他线程需要等待。

#### B. C语言中使用互斥锁进行线程同步

在C语言中，可以使用`pthread_mutex_t`来创建互斥锁，然后通过`pthread_mutex_lock`和`pthread_mutex_unlock`来对临界区进行保护，确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。

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

#define NUM_THREADS 5

int shared_data = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void* thread_function(void* arg) {
    int thread_id = *(int*)arg;
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    shared_data += 1;
    printf("Thread %d: shared_data = %d\n", thread_id, shared_data);
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int thread_args[NUM_THREADS];
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 创建多个线程
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        thread_args[i] = i;
        pthread_create(&th