C语言多线程编程-线程同步

介绍

多线程编程，经常会遇到线程直接数据同步，为了保证数据访问安全，就必须考虑线程之间的同步问题。在C语言中，多线程编程的线程同步主要依赖于POSIX线程（Pthreads）库提供的同步原语。以下是一些关键的线程同步机制：

互斥锁 (Mutexes)

pthread_mutex_t 是一种互斥对象，用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问。

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);       // 上锁
// 访问共享资源的代码
pthread_mutex_unlock(&mutex);     // 解锁

读写锁 (Read-Write Locks)

pthread_rwlock_t 允许多个线程同时进行读取操作，但在写入操作时会排斥所有其他读写线程。

pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 读取锁定
// 读取共享资源的代码
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 释放锁定
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 写入锁定
// 更新共享资源的代码
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 释放锁定

条件变量 (Condition Variables)

条件变量 pthread_cond_t 与互斥锁结合使用，允许线程阻塞等待特定条件变为真。

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);pthread_mutex_lock(&mutex);
while (!condition_is_true()) { // 检查条件pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 条件不满足则等待
}
// 当条件满足时执行相关操作
pthread_mutex_unlock(&mutex);// 另一个线程改变条件后，可以唤醒等待的线程
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition_make_true(); // 改变条件
pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒一个等待线程
// 或者唤醒所有等待线程
pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

信号量 (Semaphores)

POSIX信号量 sem_t 也可以用于同步线程，它是一个计数器，控制可以同时访问资源的线程数量。

sem_t semaphore;
sem_init(&semaphore, 0, 1); // 初始化为1，即一次只允许一个线程通过sem_wait(&semaphore); // 阻塞直到信号量计数大于0并减一
// 执行临界区代码
sem_post(&semaphore); // 信号量加一，释放资源

应用举例

以下是一个使用互斥锁（Mutexes）和条件变量（Condition Variables）实现的简单生产者-消费者问题的例子。生产者线程生成数据并放入缓冲区，消费者线程从缓冲区取出数据处理。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int buffer_count = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void* producer(void* arg) {int i;for (i = 0; i < 20; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);while (buffer_count == BUFFER_SIZE) { // 如果缓冲区已满pthread_cond_wait(&full, &mutex); // 生产者等待}buffer[buffer_count++] = i; // 放入数据printf("Producer produced %d\n", i);pthread_cond_signal(&empty); // 唤醒消费者pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {int i;while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex);while (buffer_count == 0) { // 如果缓冲区为空pthread_cond_wait(&empty, &mutex); // 消费者等待}int data = buffer[--buffer_count]; // 取出数据printf("Consumer consumed %d\n", data);pthread_cond_signal(&full); // 唤醒生产者pthread_mutex_unlock(&mutex);// 在这里可以处理消费的数据，这里为了简化直接输出}return NULL;
}int main() {pthread_t producer_thread, consumer_thread;pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);pthread_join(producer_thread, NULL);pthread_join(consumer_thread, NULL);pthread_cond_destroy(&full);pthread_cond_destroy(&empty);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}