C语言高并发编程探秘

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分类专栏： # C/C++ 文章标签： c语言开发语言

于 2025-05-30 14:59:34 首次发布

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在现代软件开发领域，并发编程是提升程序性能和资源利用率的关键技术。C 语言作为一种高效、灵活的编程语言，为并发编程提供了丰富的工具和机制。本文将深入探讨 C 语言并发编程的核心内容，包括多线程编程基础、多进程编程与进程间通信（IPC），以及并发编程中的锁机制。

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1. 多线程编程基础

POSIX 线程（pthread）库是 C 语言在类 Unix 系统上进行多线程编程的标准接口。通过 pthread 库，开发者可以轻松地创建、管理和同步线程。

1.1 线程的创建与终止

使用 pthread_create 函数可以创建一个新线程，该函数原型如下：

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

其中，thread 是指向新线程标识符的指针，attr 用于设置线程属性（通常设为 NULL 使用默认属性），start_routine 是线程启动后执行的函数，arg 是传递给该函数的参数。

线程执行完毕后，可以通过 pthread_exit 函数终止自身，其他线程也可以使用 pthread_cancel 函数终止目标线程。例如：

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

void *thread_function(void *arg)
{
   printf("Thread is runningn");
   pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
   pthread_t thread;
   
   int result = pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

   if (result != 0) {
       perror("pthread_create");
       return 1;
   }

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

   return 0;
}

1.2 线程同步

线程同步是多线程编程中的关键环节，以避免数据竞争和不一致问题。常用的同步机制包括互斥锁和条件变量。

互斥锁（pthread_mutex_t）用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问。使用 pthread_mutex_init 初始化互斥锁，pthread_mutex_lock 加锁，pthread_mutex_unlock 解锁。例如：

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int shared_variable = 0;

void *thread_function(void *arg)
{
   for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
       pthread_mutex_lock(&mutex);
       shared_variable++;
       pthread_mutex_unlock(&mutex);
   }

   pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
   pthread_t thread1, thread2;
   pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
   pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);

   pthread_join(thread1, NULL);
   pthread_join(thread2, NULL);

   printf("Final value of shared_variable: %dn", shared_variable);

   return 0;
}

条件变量（pthread_cond_t）则用于线程间的协作，当某个条件不满足时，线程可以等待条件变量，直到其他线程发出信号唤醒等待线程。

2. 多进程编程与 IPC

多进程编程是 C 语言并发编程的另一个重要方向。fork 函数用于创建子进程，子进程会复制父进程的地址空间，之后可以使用 exec 系列函数加载并执行新的程序。

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

int main()
{
   pid_t pid = fork();

   if (pid < 0) {
       perror("fork");
       return 1;
   } else if (pid == 0) {
       // 子进程
       printf("I am the child processn");
       execl("/bin/ls", "ls", NULL);
   } else {
       // 父进程
       printf("I am the parent processn");
   }

   return 0;
}

2.1 进程间通信（IPC）

进程间通信是多进程编程中必不可少的环节，常见的 IPC 方式包括管道、信号量、共享内存和消息队列。

管道分为匿名管道和命名管道，匿名管道用于具有亲缘关系的进程间通信，命名管道则可用于任意进程间通信。信号量用于控制对共享资源的访问，实现进程间的同步。共享内存是一种高效的 IPC 方式，多个进程可以直接访问同一块内存区域，但需要配合其他同步机制（如信号量）来避免数据竞争。消息队列则通过发送和接收消息实现进程间的通信。