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C语言中的POSIX线程与多线程编程：从入门到实践

news 2025/4/30 9:03:13

C语言中的POSIX线程与多线程编程：从入门到实践

在现代软件开发中，多线程编程已成为提升程序性能和响应速度的关键技术之一。C语言作为一种经典的编程语言，提供了多种方式来实现多线程编程，其中 POSIX 线程库（pthreads）是最常用的实现方式之一。本文将深入探讨 C 语言中的 POSIX 线程及多线程编程，帮助初学者理解其基本概念、常用函数和同步机制。 (【C 言专栏】C 语言中的多线程编程 - 阿里云开发者社区)

一、什么是 POSIX 线程？

POSIX 线程（POSIX Threads），简称 pthreads，是 POSIX 标准定义的一套线程接口。它为多线程编程提供了统一的 API，使得程序能够在类 Unix 系统（如 Linux、macOS 等）上创建、管理和同步线程。在 Windows 系统上，也可以通过第三方库（如 pthreads-w32）实现 pthreads 接口。 (线程, Pthreads)

二、POSIX 线程的基本组成

POSIX 线程库主要由以下几个部分组成：

线程管理：创建、终止、等待线程等。
同步原语：互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）、信号量（semaphore）等。
线程属性：设置线程的栈大小、调度策略、分离状态等。
线程局部存储：为每个线程分配独立的数据。

三、常用头文件与函数

1. 头文件

在使用 POSIX 线程时，需要包含以下头文件：

#include <pthread.h>  // POSIX 线程库
#include <semaphore.h> // POSIX 信号量库
#include <unistd.h>    // 提供 sleep 等系统调用

2. 线程管理函数

创建线程

pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg)

thread: 输出型参数，用于接收新创建线程的标识符。通过该指针可操作或等待目标线程。
attr: 可选参数，指向pthread_attr_t结构体的指针，用于设置线程属性（如栈大小、调度策略等）。若为NULL则使用默认属性。
start_routine: 线程入口函数指针，新线程启动后将执行该函数。函数需符合void *func(void *)的签名规范。
arg: 传递给线程入口函数的参数指针，允许通过该参数向新线程传递上下文数据。

等待线程结束

pthread_join(pthread_t thread, void **retval)

thread: 输入参数，指定需等待的目标线程标识符。调用线程将阻塞直至该线程终止。
retval: 输出型参数，用于接收目标线程的退出状态。若线程通过pthread_exit返回数据，可通过该指针获取。

退出线程

pthread_exit(void *retval)

retval: 线程退出时的返回值指针。该值可通过pthread_join由其他线程获取，用于传递线程执行结果或状态。

获取当前线程 ID

pthread_self(void)

无参数：直接返回调用线程的标识符（pthread_t类型），用于在无明确线程句柄时获取自身标识。

3. 互斥锁函数

初始化互斥锁

pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr)

mutex: 输出型参数，指向需初始化的互斥锁对象。
attr: 可选参数，指向互斥锁属性对象的指针，用于配置锁类型（如普通锁、递归锁等）。若为NULL则使用默认属性。

加锁

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

mutex: 输入参数，指向已初始化的互斥锁。调用线程将阻塞直至成功获取锁所有权，用于保护临界区资源。

解锁

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

mutex: 输入参数，指向需释放的互斥锁。仅持有锁的线程可执行此操作，释放后其他线程可竞争获取锁。

销毁互斥锁

pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)

mutex: 输入参数，指向需销毁的互斥锁对象。销毁前需确保锁未被任何线程持有。

4. 条件变量函数

初始化条件变量

pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr)

cond: 输出型参数，指向需初始化的条件变量对象。
attr: 可选参数，指向条件变量属性对象的指针，用于配置进程共享等属性。若为NULL则使用默认属性。

等待条件变量

pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)

cond: 输入参数，指向条件变量。调用线程将阻塞直至收到该条件的信号。
mutex: 输入参数，关联的互斥锁。此函数会自动释放锁并进入等待，被唤醒后重新获取锁，确保原子性操作。

发送信号

pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond)

cond: 输入参数，指向需发送信号的条件变量。唤醒至少一个等待该条件的线程。

销毁条件变量

pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

cond: 输入参数，指向需销毁的条件变量对象。销毁前需确保无线程正在等待该条件。

5. 信号量函数

初始化信号量

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)

sem: 输出型参数，指向需初始化的信号量对象。
pshared: 共享标志，0表示线程间共享，非0值表示进程间共享（需系统支持）。
value: 信号量初始计数值，表示可用资源数量。

等待信号量

sem_wait(sem_t *sem)

sem: 输入参数，指向信号量。若信号量计数值>0则减1并返回；若=0则阻塞直至计数值>0。

释放信号量

sem_post(sem_t *sem)

sem: 输入参数，指向信号量。将信号量计数值加1，并唤醒等待该信号量的线程（若有）。

销毁信号量

sem_destroy(sem_t *sem)

sem: 输入参数，指向需销毁的信号量对象。销毁前需确保无线程正在操作该信号量。

四、线程同步与互斥

在多线程编程中，多个线程可能会同时访问共享资源，导致数据竞争和不一致。为了解决这个问题，POSIX 线程库提供了多种同步机制：

1. 互斥锁（mutex）

互斥锁用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程可以访问。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);

2. 条件变量（condition variable）

条件变量用于线程间的通信，允许线程在某些条件满足时被唤醒。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_mutex_lock(&mutex);
while (/* 条件不满足 */) {pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);

3. 信号量（semaphore）

信号量是一种同步原语，用于控制多个线程对共享资源的访问。

sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1);sem_wait(&sem);
// 访问共享资源
sem_post(&sem);sem_destroy(&sem);

五、线程属性与管理

1. 线程属性（pthread_attr_t）

线程属性用于设置线程的栈大小、调度策略、分离状态等。

pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
// 设置其他属性
pthread_create(&thread, &attr, thread_func, NULL);
pthread_attr_destroy(&attr);

2. 线程分离与连接

分离线程：pthread_detach(pthread_t thread);
连接线程：pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

分离线程后，线程结束时会自动释放资源；连接线程用于等待线程结束并获取返回值。

六、完整示例：创建并同步两个线程

以下是一个简单的示例，演示如何创建两个线程并使用互斥锁进行同步：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>  // 引入 intptr_t 类型pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *thread_func(void *arg) {intptr_t thread_id = (intptr_t)arg;  // 使用 intptr_t 类型pthread_mutex_lock(&mutex);printf("线程 %ld 正在执行...\n", (long)thread_id);pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}int main() {pthread_t threads[2];for (intptr_t i = 0; i < 2; i++) {if (pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, (void *)i) != 0) {perror("创建线程失败");exit(EXIT_FAILURE);}}for (int i = 0; i < 2; i++) {if (pthread_join(threads[i], NULL) != 0) {perror("等待线程失败");exit(EXIT_FAILURE);}}pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

程序分析

在代码中，主线程创建了两个子线程，并等待它们完成。每个子线程在执行时会获取互斥锁（pthread_mutex_lock），打印一条消息，然后释放互斥锁（pthread_mutex_unlock）。由于互斥锁的存在，确保了在同一时刻只有一个线程能够执行打印操作，从而避免了输出的混乱。

然而，线程的执行顺序是由操作系统的调度器决定的，通常是基于时间片轮转或其他调度策略。因此，两个线程的执行顺序可能会有所不同，导致输出的顺序也不同。

可能的输出示例

线程 0 先执行：

线程 0 正在执行...
线程 1 正在执行...

线程 1 先执行：

线程 1 正在执行...
线程 0 正在执行...

在这个示例中，主线程创建了两个子线程，每个子线程在执行时会获取互斥锁，确保同一时刻只有一个线程在执行临界区代码。

七、总结

POSIX 线程库为 C 语言程序提供了强大的多线程支持，使得程序能够在类 Unix 系统上实现并发和并行处理。通过合理使用线程管理函数和同步机制，可以有效地提高程序的性能和响应速度。然而，多线程编程也带来了线程同步、死锁等挑战，需要开发者在设计和实现时特别注意。 (【C 言专栏】C 语言中的多线程编程 - 阿里云开发者社区, 基本功| 一文讲清多线程和多线程同步原创 - CSDN博客)

希望本文能够帮助初学者理解 POSIX 线程的基本概念和常用函数，为深入学习多线程编程奠定基础。

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