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章节 12：标准库：你需要了解的 C 并发编程基础知识

在深入探讨C语言的并发编程时，我们不得不提到C标准库（C Standard Library）及其扩展，这些库提供了构建多线程程序的基础。尽管C标准本身直到C11标准之前都没有直接支持多线程编程，但C程序员一直通过POSIX线程（pthreads）、OpenMP等第三方库来实现并发性。从C11开始，C标准库引入了<threads.h>头文件（在部分实现中可能作为可选功能），以及内存模型和原子操作的支持，这标志着C语言在并发编程领域迈出了重要一步。然而，鉴于<threads.h>的普及程度和广泛支持度，本章节将主要围绕更广泛接受的方法和概念展开讨论，同时也会简要提及C11及之后版本的标准库对并发编程的支持。

1. 并发与并行的基本概念

在深入具体技术之前，了解并发（Concurrency）与并行（Parallelism）的基本概念至关重要。并发指的是同时处理多个任务的能力，但这些任务并非在同一时刻同时执行，而是轮流使用CPU时间片（时间共享）。而并行则是指同时有多个任务在同一时间点内真正同时执行，这通常需要多核处理器的支持。

2. POSIX线程（pthreads）

POSIX线程（pthreads）是C语言中最广泛使用的并发编程库之一，它定义了一套用于创建、同步、调度和管理线程的API。在POSIX兼容的系统（如Linux、MacOS）上，pthreads几乎成了多线程编程的标准。

2.1 创建线程

在pthreads中，pthread_create函数用于创建一个新线程。其原型如下：

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

这里，thread是指向新线程ID的指针，attr是线程属性（通常为NULL表示默认属性），start_routine是新线程执行的函数，arg是传递给该函数的参数。

2.2 线程同步

为了避免数据竞争和其他并发问题，pthreads提供了多种同步机制，包括互斥锁（mutexes）、条件变量（condition variables）、读写锁（readers-writers locks）等。

• 互斥锁：确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock用于加锁和解锁。
• 条件变量：与互斥锁一起使用，允许线程在等待某个条件成立时阻塞，并在条件满足时被唤醒。

2.3 线程终止与清理

线程可以通过调用pthread_exit函数终止，该函数允许线程指定退出状态。主线程可以调用pthread_join等待一个线程结束，并获取其退出状态。

3. C11及更高版本的并发支持

从C11开始，C标准库引入了对并发编程的初步支持，主要集中在原子操作和线程局部存储上。

3.1 原子操作

原子操作是指在执行过程中不会被线程调度机制中断的操作。C11在<stdatomic.h>（或<stdatomic>）头文件中定义了原子类型及其操作，如_Atomic类型说明符和一系列原子操作函数（如atomic_load、atomic_store、atomic_fetch_add等）。

3.2 线程支持（可选）

C11标准定义了<threads.h>头文件，该头文件提供了一套简化的线程管理API，包括线程的创建（thrd_create）、等待（thrd_join）、分离（thrd_detach）以及退出（thrd_exit）等。然而，由于该特性是可选的，并非所有C11编译器都实现了这一特性。

4. 并发编程的设计模式与最佳实践

• 生产者-消费者模型：是一种常见的并发设计模式，其中一个或多个生产者线程生成数据，并将其放入一个缓冲区中，而一个或多个消费者线程从缓冲区中取出数据并处理。
• 避免共享数据：尽可能设计不依赖共享状态的算法和数据结构，或者将共享数据的使用限制在最小范围内。
• 使用锁保护共享资源：当必须使用共享数据时，通过互斥锁等同步机制确保数据的访问是互斥的。
• 无锁编程：使用原子操作等技术，尝试实现无需锁同步的并发算法，这可以提高性能但实现复杂。
• 测试与验证：并发程序往往难以调试，因此充分的测试（包括单元测试、压力测试等）和代码审查尤为重要。

5. 实际案例：使用pthreads实现生产者-消费者模型

下面是一个简单的生产者-消费者模型的实现示例，使用pthreads库。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&not_full, &lock);
        }
        buffer[count] = i;
        ++count;
        pthread_cond_signal(&not_empty);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}
void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&not_empty, &lock);
        }
        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed %d\n", item);
        pthread_cond_signal(&not_full);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    pthread_t prod_tid, cons_tid;
    pthread_create(&prod_tid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_tid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(prod_tid, NULL);
    pthread_join(cons_tid, NULL);
    return 0;
}

此示例展示了如何使用pthreads中的互斥锁和条件变量来实现基本的生产者-消费者同步。

6. 结论

C语言通过pthreads等第三方库以及C11及更高版本标准库中的原子操作和线程支持，为并发编程提供了强大的工具。掌握这些基础知识和工具，可以帮助开发者构建高效、可靠的多线程程序。然而，并发编程也带来了许多挑战，如数据竞争、死锁等问题，需要开发者在设计和实现时仔细考虑和测试。