C语言并发控制机制

C语言本身并不直接提供高级的并发控制机制，如线程或锁等，但通过结合操作系统API和第三方库（例如POSIX线程库pthread），可以实现高效的并发控制。本文将深入探讨C语言中的并发控制机制，包括线程管理、互斥锁、条件变量以及信号量等内容，并通过代码示例进行详细解析。

1. 并发的基本概念

在计算机科学中，并发是指多个任务在同一时间段内交替执行的能力。虽然从宏观上看这些任务似乎同时运行，但实际上它们可能在不同的时间片上切换执行。为了保证并发任务之间的数据一致性，通常需要引入同步和互斥机制。

1.1 线程与进程

• 进程：一个独立的执行环境，拥有自己的地址空间。
• 线程：轻量级的执行单元，属于某个进程，共享该进程的地址空间。

C语言可以通过调用操作系统提供的API来创建和管理线程。

2. 使用pthread库进行线程管理

POSIX线程（pthread）是C语言中常用的线程管理库，提供了创建、销毁、同步线程的功能。

2.1 创建线程

使用pthread_create函数创建一个新的线程。

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

void* thread_function(void* arg) {
    printf("Thread is running\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    if (pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("Failed to create thread");
        return 1;
    }
    pthread_join(thread_id, NULL); // 等待线程结束
    return 0;
}

2.2 销毁线程

使用pthread_join等待线程结束，确保主线程不会提前退出。

3. 同步机制

在多线程环境中，为了避免竞争条件（race condition），需要使用同步机制来保护共享资源。

3.1 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的同步工具，用于确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* increment_counter(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    static int counter = 0;
    counter++;
    printf("Counter: %d\n", counter);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

3.2 条件变量（Condition Variable）

条件变量允许线程在某个条件未满足时进入等待状态，直到其他线程通知该条件已满足。

sequenceDiagram
    participant T1 as Thread 1
    participant T2 as Thread 2
    participant CV as Condition Variable
    T1->>CV: Wait on condition
    T2->>CV: Signal condition met
    CV-->>T1: Wake up and proceed

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* wait_for_condition(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (/* condition not met */) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    /* Perform action */
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* signal_condition(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    /* Update shared state */
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

3.3 信号量（Semaphore）

信号量是一种更通用的同步机制，适用于更复杂的场景。

#include <semaphore.h>
sem_t semaphore;

void init_semaphore() {
    sem_init(&semaphore, 0, 1); // 初始化为1
}

void* access_resource(void* arg) {
    sem_wait(&semaphore); // 等待信号量
    /* Access shared resource */
    sem_post(&semaphore); // 释放信号量
    return NULL;
}

4. 扩展讨论

除了上述基本机制外，还可以考虑使用读写锁（Read-Write Locks）、屏障（Barriers）等高级同步工具。此外，在设计并发程序时，还需要注意死锁、活锁等问题。