C 语言中的多线程编程与同步机制

# 1. 引言
## 1.1 C语言中的多线程编程概述
在计算机科学领域，多线程编程是一种并发编程的技术，它允许程序同时执行多个线程，从而实现更高效的任务处理和资源利用。在C语言中，使用多线程可以通过操作系统提供的线程库，如pthread库来实现。多线程编程在处理I/O密集型任务和提升程序性能方面有着显著的优势，因此在操作系统、网络编程、服务器编程等领域有着广泛的应用。

## 1.2 多线程编程的优势与应用场景
多线程编程的优势包括：
- 提高程序并发性，提升系统资源利用率。
- 实现非阻塞式I/O，提高I/O密集型任务的处理效率。
- 改善用户体验，使程序能够同时响应多个事件。

多线程编程适用于以下场景：
- 服务器编程：能够处理多个客户端的请求，提高服务器并发性能。
- 图形界面编程：实现界面刷新与用户事件响应的并发处理。
- 数据库操作：提高数据库访问的效率，降低响应时间。
- 并行计算：利用多核处理器同时处理大规模数据计算任务。

# 2. 线程创建与管理

在多线程编程中，线程的创建与管理是非常重要的基础知识。下面我们将介绍线程的创建与终止，线程的属性设置与获取，以及线程的调度与优先级。

### 2.1 线程的创建与终止

在 C 语言中，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);

其中，`thread` 为指向线程标识符的指针，`attr` 为线程属性，`start_routine` 是新线程的起始函数，`arg` 是传递给起始函数的参数。

下面是一个简单的示例，展示了如何创建一个新线程，让其执行一个简单的任务：

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

void *task(void *arg) {
    printf("This is a new thread.\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, task, NULL);
    pthread_join(tid, NULL); // 等待新线程结束
    printf("Main thread ends.\n");
    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用 `pthread_create` 函数创建了一个新线程，让其执行 `task` 函数。然后在主线程中使用 `pthread_join` 函数等待新线程执行结束。

### 2.2 线程的属性设置与获取

在创建线程时，可以通过 `pthread_attr_t` 结构体来设置线程的属性。可以使用 `pthread_attr_init` 函数初始化该结构体，然后通过相关函数设置和获取线程的属性。

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

void *task(void *arg) {
    printf("This is a new thread.\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr); // 初始化线程属性

    // 设置线程属性，例如优先级
    int policy;
    pthread_attr_getschedpolicy(&attr, &policy);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

    pthread_create(&tid, &attr, task, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("Main thread ends.\n");

    pthread_attr_destroy(&attr); // 销毁线程属性
    return 0;
}

在上面的代码中，我们初始化了线程属性，并设置了线程的调度策略为 `SCHED_FIFO`。

### 2.3 线程的调度与优先级

在多线程编程中，线程的调度和优先级也是非常重要的，它直接影响到多个线程之间的执行顺序和调度情况。

可以使用 `pthread_setschedparam` 函数设置线程的调度参数，例如优先级。以下是一个简单的示例：

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

void *task(void *arg) {
    printf("This is a new thread.\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = 50; // 设置线程优先级为 50

    pthread_create(&tid, NULL, task, NULL);
    pthread_setschedparam(tid, SCHED_FIFO, &param); // 设置新线程的调度参数
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("Main thread ends.\n");
    return 0;
}

在上面的代码中，我们设置了新线程的调度参数，将其优先级设置为了 50。

线程的调度与优先级是非常复杂的话题，需要根据具体的应用场景和需求进行灵活的设置。

# 3. 线程同步与互斥

在多线程编程中，线程之间的并发执行可能会导致一些问题，例如数据的竞态条件（Race Condition）和死锁（Deadlock）。为了避免这些问题，我们需要使用线程同步与互斥机制。本章将介绍临界区与互斥锁的概念，以及互斥锁和信号量的使用与实现原理。

### 3.1 临界区与互斥锁

临界区是指一段代码，在该代码段中，对共享资源进行操作的线程只能有一个，其他线程需要等待。为了保护共享资源的访问，我们使用互斥锁（Mutex），也称为互斥量。互斥锁是一种同步原语，它提供了两个操作：上锁（lock）和解锁（unlock）。

当一个线程需要访问临界区时，它先尝试上锁，如果成功上锁，则进入临界区进行操作，完成后再解锁，以允许其他线程访问。如果上锁失败，即表示该临界区中已经有其