多线程可以提升程序的并发能力，充分利用多核 CPU 的优势。但多线程也带来共享资源竞态、死锁、调试复杂等问题。本文将带你循序渐进地了解在 C 语言中如何正确、安全地使用多线程技术。
1. 多线程编程简介
在 C 语言中，多线程允许同一进程中的多个执行流（线程）并发运行。主要有以下几点注意：
- 线程与进程的区别 线程是进程内的轻量级执行单元，共享同一进程的内存空间；而进程则拥有独立的地址空间。线程之间的通信非常高效，但需要额外同步来避免数据竞争。
- 多线程的优势
- 并发处理任务，提高 CPU 利用率。
- 适合 I/O 密集型程序，通过一部分线程处理 I/O，另一部分线程继续计算。
- 多线程的挑战
- 同步与互斥问题：多个线程对共享数据进行读写可能导致数据不一致。
- 死锁：资源分配不当可能造成线程相互等待。
- 调试与测试难度增加。
2. 常见的多线程库与 API
在 C 语言中，多线程实现主要有以下几种方式：
- POSIX 线程 (pthreads) 在 Unix/Linux 平台上广泛使用，提供了线程创建、管理和同步的 API。
- C11 标准线程库 C11 在
中引入了标准化多线程支持，可在支持 C11 的编译器中使用，但因兼容性问题，目前应用较少。 - GLib 线程 GLib 为跨平台提供了线程、互斥锁、条件变量等封装。如果你已经在使用 GLib，其线程支持会使跨平台编程更简单。
- Windows 线程 (Win32 API) Windows 平台有自己的一套线程 API（如 CreateThread），但本文主要以 POSIX、C11 和 GLib 为例。
3. 使用 POSIX 线程（pthreads）
3.1 创建与结束线程
下面的示例展示如何使用 POSIX 线程创建多个线程，并用 pthread_join 等待线程结束：
#include
#include
#include
#define THREAD_COUNT 5
void* thread_func(void *arg) {
int tid = *(int *)arg;
printf("线程 %d 正在运行\n", tid);
// 释放传递的数据
free(arg);
return NULL;
}
int main() {
pthread_t threads[THREAD_COUNT];
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
int *tid = malloc(sizeof(int));
if (tid == NULL) {
perror("内存分配失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
*tid = i;
if (pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, tid) != 0) {
perror("无法创建线程");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
// 等待所有线程退出
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
pthread_join(threads[i], NULL);
}
printf("所有线程均已结束\n");
return 0;
} 说明：
- pthread_create 创建线程时需要传递一个指向线程函数的指针和一个参数。
- 线程函数返回 void*，可用于传递退出状态。
- 使用 pthread_join 等待线程结束，并回收线程资源（避免产生僵尸线程）。
3.2 线程分离
如果不需要等待线程结束，可以使用 pthread_detach 将线程设置为分离状态，从而在其退出时自动释放资源：
// 创建线程后调用
pthread_detach(thread_id);4. 线程同步与互斥
当多个线程共享数据时，应使用同步机制来防止数据竞争。常见的同步原语包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）和信号量。
4.1 互斥锁
互斥锁保证在任一时刻只有一个线程能够访问共享数据。示例代码：
#include
#include
int shared_counter = 0;
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* increment_func(void *arg) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
shared_counter++;
pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_t t1, t2;
pthread_create(&t1, NULL, increment_func, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, increment_func, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
printf("最终计数值: %d\n", shared_counter);
pthread_mutex_destroy(&counter_mutex);
return 0;
} 4.2 条件变量
条件变量用于在线程间传递状态变化通知。下例中使用条件变量实现简单的生产者—消费者模型：
#include
#include
int ready = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void* consumer(void *arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (!ready) {
// 等待生产者发送信号，释放mutex后进入睡眠态
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
printf("消费者收到信号，开始处理数据\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
void* producer(void *arg) {
// 模拟生产过程
sleep(2);
pthread_mutex_lock(&mutex);
ready = 1;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main() {
pthread_t prod, cons;
pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);
pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
pthread_join(prod, NULL);
pthread_join(cons, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
} 说明：
- pthread_cond_wait 会自动释放给定的 mutex，当条件满足或收到信号后重新获得 mutex。
- 流程设计中务必防止“虚假唤醒”，通常使用 while 循环反复检测条件。
5. 使用 GLib 实现跨平台多线程编程
GLib 封装了跨平台线程（GThread）、互斥锁（GMutex）和条件变量（GCond）等 API。示例如下：
#include
#include
gboolean flag = FALSE;
GMutex mutex;
GCond cond;
gpointer thread_func(gpointer data) {
g_mutex_lock(&mutex);
// 等待 flag 变为 TRUE
while (!flag) {
g_cond_wait(&cond, &mutex);
}
g_mutex_unlock(&mutex);
g_print("线程收到信号，开始工作\n");
return NULL;
}
int main() {
g_mutex_init(&mutex);
g_cond_init(&cond);
GThread *thread = g_thread_new("worker", thread_func, NULL);
// 主线程模拟一些工作（例如 2 秒延时）
g_usleep(2000000);
g_mutex_lock(&mutex);
flag = TRUE;
g_cond_signal(&cond);
g_mutex_unlock(&mutex);
g_thread_join(thread);
g_cond_clear(&cond);
g_mutex_clear(&mutex);
return 0;
} 优点： GLib 的 API 在 Windows 与 Linux 平台均可运行，能帮助开发者避免平台差异问题。
6. C11 标准中的线程支持
C11 在
#include
#include
int thread_func(void *arg) {
printf("C11线程正在运行\n");
return 0;
}
int main(void) {
thrd_t thr;
if (thrd_create(&thr, thread_func, NULL) == thrd_success) {
thrd_join(thr, NULL);
} else {
fprintf(stderr, "线程创建失败\n");
}
return 0;
} 虽然 C11 线程库的推广情况不如 POSIX 线程，但它为标准化多线程带来了一种可能。
7. 多线程编程中的最佳实践
7.1 设计阶段
- 避免过度共享： 设计时尽量减少多个线程共享的数据，或采用消息传递模型。
- 使用有限的锁： 尽量缩小锁的作用域，减少锁竞争。
- 明确线程职责： 每个线程只集中处理单一任务，避免职责混乱。
7.2 编程阶段
- 错误检查： 检查每个线程创建和同步函数的返回值。
- 释放资源： 使用 pthread_join 或分离线程，确保所有动态资源正确释放。
- 防止死锁： 保证连续获取多个资源时顺序一致，必要时可采用 try-lock 方式。
7.3 调试与测试
- 利用专用工具（如 Valgrind 的 Helgrind、ThreadSanitizer）检测竞态条件。
- 采用日志记录、断言等手段追踪线程执行流，帮助复现问题。
8. 调试与性能优化
多线程调试较单线程复杂，可考虑以下策略：
- 日志与断言： 在关键代码部位添加日志输出，及时验证运行状态。
- 动态分析工具： 使用 ThreadSanitizer 等工具检测数据竞争与同步缺陷。
- 最佳化锁使用： 分析程序热点，尽量减少锁的粒度或考虑无锁数据结构。
- 合理调度： 合理控制线程数目，太多线程可能因上下文切换过多反而降低性能。
此外，对于 I/O 密集型任务，可考虑用异步 I/O 模型；对于 CPU 密集型任务，则尽量使各线程相互独立，以充分利用多核资源。
9. 延伸阅读与探索：
- 了解线程池（Thread Pool）设计，减少线程创建和销毁开销。
- 探索无锁编程（Lock-Free Programming）和原子操作（atomic operation）技术，提高程序并发性。
- 研究现代并发编程范式，如 Actor 模型、消息队列等。
- 关注 C 语言新标准中对并发支持的改进，及时更新知识体系。平台优化线程模型，或者如何处理复杂的线程调试问题，我们可以继续深入探讨。