C 语言 posix 线程

简介

POSIX线程（通常称为pthreads）是遵循POSIX标准的线程库，用于在C语言中实现多线程编程。它提供了一套API，允许开发者创建、管理和同步线程，从而充分利用多核处理器资源。pthreads是Unix/Linux系统中的标准线程实现，也是跨平台多线程开发的重要工具。

多线程编程的核心目标是实现并发执行，即多个线程在同一进程内共享内存空间，但拥有独立的执行流。与多进程相比，线程的创建和切换开销更小，但需要更谨慎地处理资源共享和同步问题。

核心概念

线程与进程的区别

• 进程：独立的执行单元，拥有独立的地址空间和系统资源。
• 线程：轻量级进程，共享同一进程的地址空间和资源，但拥有独立的栈和程序计数器。

graph LR A[进程] --> B[主线程] A --> C[线程1] A --> D[线程2] B & C & D --> E[共享内存/全局变量]

pthreads 基本API

以下是pthreads的核心函数：

• pthread_create()：创建新线程。
• pthread_join()：等待线程终止。
• pthread_exit()：显式退出线程。
• pthread_mutex_lock()：互斥锁，用于同步。

基础示例

创建线程

以下示例展示如何创建并运行一个线程：

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

// 线程函数  
void* print_message(void* msg) {  
    printf("线程消息: %s\n", (char*)msg);  
    pthread_exit(NULL);  
}  

int main() {  
    pthread_t thread;  
    char* message = "Hello, pthread!";  

    // 创建线程  
    int ret = pthread_create(&thread, NULL, print_message, (void*)message);  
    if (ret != 0) {  
        perror("线程创建失败");  
        return 1;  
    }  

    // 等待线程结束  
    pthread_join(thread, NULL);  
    printf("主线程结束\n");  
    return 0;  
}

输出：

  
线程消息: Hello, pthread!  
主线程结束  

线程同步（互斥锁）

当多个线程访问共享资源时，需使用互斥锁（Mutex）避免竞争条件：

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

int counter = 0;  
pthread_mutex_t lock;  

void* increment_counter(void* arg) {  
    pthread_mutex_lock(&lock);  
    for (int i = 0; i < 100000; i++) counter++;  
    pthread_mutex_unlock(&lock);  
    pthread_exit(NULL);  
}  

int main() {  
    pthread_t t1, t2;  
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);  

    pthread_create(&t1, NULL, increment_counter, NULL);  
    pthread_create(&t2, NULL, increment_counter, NULL);  

    pthread_join(t1, NULL);  
    pthread_join(t2, NULL);  

    printf("最终计数器值: %d\n", counter);  // 应为200000  
    pthread_mutex_destroy(&lock);  
    return 0;  
}

高级主题

条件变量

条件变量（pthread_cond_t）用于线程间通信，允许线程等待特定条件成立：

  
#include <pthread.h>  

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
int ready = 0;  

void* consumer(void* arg) {  
    pthread_mutex_lock(&mutex);  
    while (!ready) pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
    printf("条件满足，继续执行\n");  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  
    pthread_exit(NULL);  
}  

void* producer(void* arg) {  
    pthread_mutex_lock(&mutex);  
    ready = 1;  
    pthread_cond_signal(&cond);  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  
    pthread_exit(NULL);  
}

线程属性

可通过pthread_attr_t设置线程属性（如栈大小、分离状态）：

  
pthread_attr_t attr;  
pthread_attr_init(&attr);  
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);  
pthread_t thread;  
pthread_create(&thread, &attr, thread_function, NULL);

实际应用案例

多线程Web服务器

Web服务器（如Nginx）使用线程池处理并发请求： 1. 主线程监听端口，接收连接。 2. 工作线程处理请求（读取文件、生成响应）。

并行计算

将大规模计算任务（如矩阵乘法）分解为多个线程并行执行： $C_{i,j}=\sum _{k=1}^n{A}_{i,k}\times B_{k,j}$

常见问题

• Q: 线程安全是什么？

 A: 函数或代码在多线程环境下能正确执行，无需额外同步。  

• Q: 如何避免死锁？

 A: 按固定顺序获取锁，或使用超时机制（如pthread_mutex_trylock）。  

总结

POSIX线程是C语言多线程编程的核心工具，适用于需要高并发和资源共享的场景。初学者应重点掌握线程创建、同步机制（互斥锁、条件变量），而高级用户可探索线程池、性能优化等进阶主题。