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c语言如何写两个线程

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c语言如何写两个线程

在C语言中编写两个线程的核心要点有：使用线程库、创建线程、线程函数、同步机制。 在实际应用中，线程的使用可以显著提高程序的执行效率，特别是在多核处理器环境下。下面将详细介绍这些要点，并提供实用的代码示例和注意事项。

一、线程基础概述

线程是操作系统能够独立调度和执行的最小单位。它是比进程更小的独立运行单位，通常被称为“轻量级进程”。在C语言中，多线程编程通常使用POSIX线程库（pthread）。

1.1、POSIX线程库简介

POSIX线程（pthread）是一个用于多线程编程的标准API。它提供了一组函数来创建和管理线程。POSIX线程库在大多数UNIX-like系统上可用，包括Linux和macOS。

1.2、线程与进程的区别

线程与进程的主要区别在于线程共享同一个进程的内存空间，而进程之间的内存是独立的。因此，线程之间的通信更加高效，但也需要注意同步问题，以避免竞态条件。

二、创建线程

在C语言中，创建线程通常使用pthread_create函数。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);

2.1、线程函数

线程函数是线程执行的入口点。它必须符合void *(*start_routine) (void *)的形式，即接受一个void *参数并返回一个void *。

void *thread_function(void *arg) {


    // 线程执行的代码


    return NULL;


}

2.2、创建线程示例

下面是一个创建两个线程的示例：

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


void *thread_function(void *arg) {


    int thread_num = *((int *)arg);


    printf("线程 %d 正在运行n", thread_num);


    return NULL;


}


int main() {


    pthread_t thread1, thread2;


    int thread1_num = 1;


    int thread2_num = 2;


    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, &thread1_num);


    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, &thread2_num);


    pthread_join(thread1, NULL);


    pthread_join(thread2, NULL);


    return 0;


}

在上述代码中，我们创建了两个线程，并分别将thread1_num和thread2_num作为参数传递给线程函数。

三、线程同步

在多线程编程中，线程同步是一个重要的概念。线程同步用于避免多个线程同时访问共享资源时发生冲突。常用的同步机制包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）和读写锁（rwlock）。

3.1、互斥锁（Mutex）

互斥锁是一种用于保护共享资源的锁机制。在访问共享资源前，线程必须获得互斥锁；在访问完成后，线程必须释放互斥锁。

3.1.1、互斥锁的使用

互斥锁的基本操作包括初始化、加锁、解锁和销毁。

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


pthread_mutex_t mutex;


void *thread_function(void *arg) {


    int thread_num = *((int *)arg);


    pthread_mutex_lock(&mutex);


    printf("线程 %d 获得锁n", thread_num);


    // 访问共享资源


    printf("线程 %d 释放锁n", thread_num);


    pthread_mutex_unlock(&mutex);


    return NULL;


}


int main() {


    pthread_t thread1, thread2;


    int thread1_num = 1;


    int thread2_num = 2;


    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);


    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, &thread1_num);


    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, &thread2_num);


    pthread_join(thread1, NULL);


    pthread_join(thread2, NULL);


    pthread_mutex_destroy(&mutex);


    return 0;


}

在上述代码中，线程在访问共享资源前会先获得互斥锁，并在访问完成后释放互斥锁。

3.2、条件变量（Condition Variable）

条件变量用于线程之间的信号传递，使一个线程可以等待另一个线程的特定条件。

3.2.1、条件变量的使用

条件变量的基本操作包括初始化、等待、唤醒和销毁。

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


pthread_mutex_t mutex;


pthread_cond_t cond;


int condition = 0;


void *thread_function1(void *arg) {


    pthread_mutex_lock(&mutex);


    while (condition == 0) {


        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);


    }


    printf("线程 1 被唤醒n");


    pthread_mutex_unlock(&mutex);


    return NULL;


}


void *thread_function2(void *arg) {


    pthread_mutex_lock(&mutex);


    condition = 1;


    pthread_cond_signal(&cond);


    printf("线程 2 唤醒线程 1n");


    pthread_mutex_unlock(&mutex);


    return NULL;


}


int main() {


    pthread_t thread1, thread2;


    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);


    pthread_cond_init(&cond, NULL);


    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function1, NULL);


    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function2, NULL);


    pthread_join(thread1, NULL);


    pthread_join(thread2, NULL);


    pthread_mutex_destroy(&mutex);


    pthread_cond_destroy(&cond);


    return 0;


}

在上述代码中，线程1等待条件变量cond，而线程2在设置条件后唤醒线程1。

四、线程的终止与清理

线程可以通过多种方式终止，包括正常返回、调用pthread_exit函数和被其他线程取消。

4.1、正常返回

在线程函数中返回NULL或其他值可以终止线程。

4.2、调用pthread_exit函数

pthread_exit函数可以用于在线程函数中显式终止线程。

void *thread_function(void *arg) {


    printf("线程正在运行n");


    pthread_exit(NULL);


}

4.3、线程取消

一个线程可以通过调用pthread_cancel函数来取消另一个线程。

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


void *thread_function(void *arg) {


    while (1) {


        printf("线程正在运行n");


        sleep(1);


    }


    return NULL;


}


int main() {


    pthread_t thread;


    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);


    sleep(5);


    pthread_cancel(thread);


    pthread_join(thread, NULL);


    return 0;


}

在上述代码中，主线程在5秒后取消子线程的执行。

五、线程的优先级和调度

POSIX线程库还提供了设置线程优先级和调度策略的功能。默认情况下，所有线程的优先级相同，但可以通过线程属性对象来更改。

5.1、设置线程优先级

线程优先级通过pthread_attr_t结构体和pthread_attr_setschedparam函数来设置。

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


void *thread_function(void *arg) {


    printf("线程正在运行n");


    return NULL;


}


int main() {


    pthread_t thread;


    pthread_attr_t attr;


    struct sched_param param;


    pthread_attr_init(&attr);


    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_RR);  // 设置调度策略为SCHED_RR


    param.sched_priority = 10;  // 设置优先级


    pthread_attr_setschedparam(&attr, &param);


    pthread_create(&thread, &attr, thread_function, NULL);


    pthread_join(thread, NULL);


    pthread_attr_destroy(&attr);


    return 0;


}

在上述代码中，我们创建了一个具有特定优先级和调度策略的线程。

六、实际应用案例

在实际应用中，多线程编程可以用于并行处理、服务器请求处理、图像处理等场景。下面是一个简单的多线程服务器示例：

6.1、多线程服务器示例

#include <pthread.h>


#include <stdio.h>


#include <stdlib.h>


#include <unistd.h>


#include <netinet/in.h>


#include <string.h>


#define PORT 8080


#define BUFFER_SIZE 1024


void *handle_client(void *arg) {


    int client_socket = *((int *)arg);


    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};


    read(client_socket, buffer, BUFFER_SIZE);


    printf("收到消息: %sn", buffer);


    send(client_socket, "Hello from server", strlen("Hello from server"), 0);


    close(client_socket);


    return NULL;


}


int main() {


    int server_fd, new_socket;


    struct sockaddr_in address;


    int addrlen = sizeof(address);


    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {


        perror("socket failed");


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    address.sin_family = AF_INET;


    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;


    address.sin_port = htons(PORT);


    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {


        perror("bind failed");


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    if (listen(server_fd, 3) < 0) {


        perror("listen failed");


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    while (1) {


        if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {


            perror("accept failed");


            exit(EXIT_FAILURE);


        }


        pthread_t thread;


        pthread_create(&thread, NULL, handle_client, &new_socket);


        pthread_detach(thread);  // 让线程在完成后自行清理


    }


    return 0;


}

在上述代码中，我们创建了一个简单的TCP服务器。每当一个新的客户端连接时，服务器会创建一个新线程来处理该客户端的请求。

七、常见问题及解决方案

7.1、竞态条件

竞态条件是多线程编程中常见的问题之一。当多个线程同时访问共享资源且至少有一个线程在写入时，就可能发生竞态条件。使用互斥锁、读写锁等同步机制可以有效避免竞态条件。

7.2、死锁

死锁发生在两个或多个线程相互等待对方持有的资源，从而导致所有线程都无法继续执行。避免死锁的方法包括：

  • 锁的顺序：确保所有线程以相同的顺序获取锁。
  • 死锁检测：使用超时机制或其他方法检测并处理死锁。

7.3、资源泄漏

在多线程编程中，确保线程在完成后正确释放资源非常重要。使用pthread_join或pthread_detach可以确保线程在完成后正确清理。

八、总结

通过对C语言中多线程编程的详细介绍，我们可以看到多线程编程在提高程序效率和响应速度方面的优势。无论是在服务器编程、并行处理还是其他应用场景中，掌握多线程编程技巧都是非常有价值的。

在实际开发中，选择合适的同步机制、合理规划线程的创建和销毁、注意线程之间的通信和同步，都是确保多线程程序高效、稳定运行的关键。希望通过本文的介绍，能够帮助读者更好地理解和应用C语言中的多线程编程技术。

相关问答FAQs：

1. 如何在C语言中创建两个线程？

在C语言中，可以使用线程库（如pthread库）来创建线程。首先，需要包含相应的头文件。然后，使用pthread_create函数来创建线程。可以为每个线程提供一个函数指针作为参数，该函数将作为线程的入口点。

2. 如何实现两个线程之间的数据共享？

在C语言中，可以使用全局变量或者指针来实现线程之间的数据共享。可以将需要共享的数据定义为全局变量，并在各个线程中进行读写操作。另外，也可以使用指针来传递需要共享的数据，使得每个线程都可以访问同一块内存空间。

3. 如何控制两个线程的执行顺序？

在C语言中，可以使用互斥锁（mutex）或者条件变量（condition variable）来控制两个线程的执行顺序。可以在线程中使用互斥锁来保护共享资源，以确保每个线程在访问共享资源之前先获取锁。另外，条件变量可以用来实现线程间的通信，可以让一个线程等待某个条件的满足，然后唤醒另一个线程去执行。通过合理地使用互斥锁和条件变量，可以实现对线程执行顺序的控制。

原创文章，作者：Edit1，如若转载，请注明出处：https://docs.pingcode.com/baike/1206845

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