C语言-多线程编程

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线程

线程（英语：thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程的创建和销毁都是通过操作系统来完成的。

编程模型

单进程单线程模型

通常编程时使用的是单进程单线程模型，程序在运行时通过操作系统创建一个进程，包含一个主线程，当主线程结束后进程结束，操作系统回收资源。

单进程多线程模型

单进程多线程编程是在程序中创建子线程实现，这时创建的线程称为子线程。程序在运行是通过操作系统创建一个进程，包含主线程，主线程会创建子线程来处理任务；但这时主线程结束进程结束，主线程可以通过等待子线程结束再结束主线程退出。

C语言中多线程

C语言中通过pthread库来进行多线程程序编写。

  • pthread_t 声明一个线程ID
  • pthread_create 使用线程ID创建一个线程含有四个参数 ：线程ID（pthread_t）、线程属性(pthread_attr_t)、函数指针[void *(*)(void *)]、参数指针（void *）
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void *
thread(void *arg) {  
    int a = *(int *)arg;
    printf("thread : %d\n", a);
    return NULL;
}

int
main(int argc, const char *argv[]) {
    int count = 10;
    pthread_t tids[count];
    for(size_t i = 0; i < count; i++)
    {
        /* code */
        int *s = malloc(sizeof(int));
        *s = i;
        pthread_create(&tids[i], NULL, thread, s);
    }
    return 0;
}

多线程模型中存在的问题

多线程模型中，不同线程可以访问同一个变量，不同的线程独立执行，如果同时读写一个变量会造成数据错误，因此在多线程模型中需要加入锁来对变量的安全，通常称为线程安全，加的锁名为互斥锁（mutex）。

测试代码逻辑，拥有一个变量balance，两个操作，存、取，当创建1000个线程时同时运行这两个操作会造成最终balance变量不为0.

不加锁代码

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

static int balance = 0;

void *
deposit(void *args)
{
    balance += 10;
    return NULL;
}

void *
withdraw(void *args)
{
    balance -= 10;
    return NULL;
}

void multiThread(void)
{
    int n = 1000;
    pthread_t tid1[n];
    pthread_t tid2[n];
    for (size_t i = 0; i < n; i++)
    {
        pthread_create(&tid1[i], NULL, deposit, NULL);
        pthread_create(&tid2[i], NULL, withdraw, NULL);
    }
    for (size_t i = 0; i < n; i++)
    {
        pthread_join(tid1[i], NULL);
        pthread_join(tid2[i], NULL);
    }
}

int
main(int argc, const char *argv[]) {
    printf("main start, balance %d\n", balance);
    multiThread();
    printf("main end, balance %d\n", balance);
}

加锁代码

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


static int balance = 0;
static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


void *
deposit(void *args) {
    // 互斥锁
    // 事务
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    balance += 10;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void *
withdraw(void *args) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    balance -= 10;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void
multiThread(void) {
    int n = 1000;
    pthread_t tid1[n];
    pthread_t tid2[n];
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        pthread_create(&tid1[i], NULL, deposit, NULL);
        pthread_create(&tid2[i], NULL, withdraw, NULL);
    }
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        pthread_join(tid1[i], NULL);
        pthread_join(tid2[i], NULL);
    }
}

int
main(void) {
    printf("main start, balance %d\n", balance);
    multiThread();
    printf("main end, balance %d\n", balance);
    return 0;
}