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深入理解多线程编程：从基础概念到实战应用

news 来源：原创 2025/5/7 11:33:21

二进制信号量：线程同步的基础

什么是二进制信号量？

二进制信号量是一种特殊的信号量，其值只能是0或1。它是最简单的线程同步机制之一，常用于线程间的简单协调。

#include <semaphore.h>sem_t sem; // 声明二进制信号量
sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化，第二个参数0表示线程间共享，初始值为1

二进制信号量的工作原理：

值为1：资源可用，线程可以继续执行
值为0：资源不可用，线程必须等待

二进制信号量的基本操作

sem_wait() - 获取信号量

sem_wait(&sem); // 如果sem>0则减1，否则阻塞

sem_post() - 释放信号量
```
sem_post(&sem); // 信号量值加1
```
sem_getvalue() - 获取当前信号量值
```
int val;
sem_getvalue(&sem, &val);
```

二进制信号量与互斥锁的区别

虽然二进制信号量和互斥锁看起来很相似，但它们有重要区别：

特性	二进制信号量	互斥锁
所有者	无所有者概念	必须由加锁线程解锁
初始值	可设为0或1	通常初始为1
用途	线程同步、事件通知	保护临界区
性能	稍慢	更快

实际应用中的选择

使用信号量的场景：
- 需要线程间通知（如生产者-消费者）
- 需要限制并发访问数量
使用互斥锁的场景：
- 保护共享资源的访问
- 需要确保解锁由同一线程完成

获取信号量的值

获取信号量的当前值可以使用sem_getvalue()

在并发编程中，条件变量（cond）、信号量（semaphore）和互斥锁（mutex）是三种核心的线程同步机制，它们有各自的特点和适用场景。以下是它们的详细对比和解释：

1. 互斥锁（Mutex）

作用

保护共享资源：确保同一时间只有一个线程能访问临界区（critical section），防止数据竞争。

特点

二元状态：只有锁定（locked）和解锁（unlocked）两种状态。
所有权：必须由加锁的线程解锁（不能跨线程解锁）。
阻塞行为：其他线程尝试获取已锁定的互斥锁时会被阻塞。

C语言示例

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void* thread_func() {pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁// 临界区代码pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
}

适用场景

保护共享变量（如全局计数器）。
需要确保操作的原子性时。

2. 信号量（Semaphore）

作用

控制并发访问数量：允许多个线程（数量可配置）同时访问资源。
线程同步：协调线程的执行顺序（如生产者-消费者模型）。

特点

计数器：信号量是一个非负整数，表示可用资源数。
无所有者：任何线程都可以释放（post）信号量。
阻塞行为：当信号量为0时，wait操作会阻塞线程。

C语言示例

#include <semaphore.h>
sem_t sem;void init() {sem_init(&sem, 0, 3);  // 初始值为3，允许3个线程并发
}void* thread_func() {sem_wait(&sem);  // 信号量减1（若为0则阻塞）// 访问共享资源sem_post(&sem);  // 信号量加1
}

适用场景

限制数据库连接池的并发数。
实现生产者-消费者队列。

3. 条件变量（Condition Variable, cond）

作用

线程间通知：允许线程在某个条件满足时被唤醒，避免忙等待（busy-waiting）。
配合互斥锁使用：通常与互斥锁一起实现复杂的同步逻辑。

特点

无状态：本身不存储条件，需依赖外部条件判断。
等待/通知机制：线程通过wait主动阻塞，通过signal或broadcast唤醒。

C语言示例

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;  // 条件标志// 等待线程
void* consumer() {pthread_mutex_lock(&mutex);while (!ready) {pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 释放锁并阻塞}// 条件满足后的操作pthread_mutex_unlock(&mutex);
}// 通知线程
void* producer() {pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1;pthread_cond_signal(&cond);  // 唤醒一个等待线程pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

适用场景

实现线程间的事件通知（如任务队列非空时唤醒工作线程）。
避免轮询检查条件（节省CPU资源）。

三者的核心区别

特性	互斥锁（Mutex）	信号量（Semaphore）	条件变量（cond）
用途	保护临界区	控制并发访问数量	线程间事件通知
是否持有资源	是（锁的持有者）	否（仅计数器）	否（需外部条件判断）
释放操作	必须由加锁线程解锁	任意线程可`post`	任意线程可`signal`
阻塞行为	获取锁失败时阻塞	信号量为0时阻塞	显式调用`wait`时阻塞
典型场景	共享变量修改	连接池限流	生产者-消费者模型

如何选择？

需要保护共享数据 → 互斥锁
（如：多个线程修改同一个全局变量）
需要限制并发数 → 信号量
（如：最多5个线程同时访问数据库）
需要等待某个条件成立 → 条件变量 + 互斥锁
（如：任务队列非空时唤醒线程）

常见问题解答

Q1: 为什么条件变量需要配合互斥锁？

条件变量的wait操作会临时释放锁并阻塞，被唤醒后重新获取锁，确保条件检查的原子性。

Q2: 二进制信号量（初始值为1）和互斥锁的区别？

二进制信号量可以被任意线程释放，而互斥锁必须由加锁线程解锁。

Q3: 信号量的`post`和条件变量的`signal`有何不同？

sem_post会增加信号量计数器，可能唤醒多个线程（取决于wait的线程数）。
pthread_cond_signal仅唤醒一个等待线程（不涉及计数器）。

深入理解并行与并发及C语言线程池实现

并行(Parallelism) vs 并发(Concurrency)

并行是指多个任务真正同时执行，需要多核CPU硬件支持。在C语言中，我们可以通过创建多个线程并分配到不同CPU核心上来实现并行计算。

// 并行计算数组元素平方的示例
void* parallel_square(void* arg) {int* data = (int*)arg;for (int i = 0; i < CHUNK_SIZE; i++) {data[i] = data[i] * data[i]; // 无共享数据，可真正并行}return NULL;
}// 创建线程并行处理
pthread_t threads[4];
int chunks[4][CHUNK_SIZE];
for (int i = 0; i < 4; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, parallel_square, chunks[i]);
}

并发是指多个任务交替执行，在单核CPU上通过时间片轮转实现"看似同时"的效果。典型的并发模式是使用互斥锁保护共享资源：

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_counter = 0;void* concurrent_increment(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock);shared_counter++; // 临界区pthread_mutex_unlock(&lock);return NULL;
}

关键区别：

并行需要多核硬件，并发可在单核实现
并行是物理上的同时执行，并发是逻辑上的交替执行
并行性能可线性扩展，并发性能受限于上下文切换开销

这段代码实现了一个多线程任务队列系统，结合了互斥锁（pthread_mutex_t）和条件变量（pthread_cond_t）来安全地分配和处理任务。以下是详细解析：

1. 核心组件

（1）数据结构

typedef struct Task {int a, b;  // 任务参数
} Task;Task taskQueue[256];  // 任务队列
int taskCount = 0;    // 当前任务数

任务队列：固定大小的数组（256），存储待处理的 Task 结构体。
任务计数：记录队列中当前的任务数量。

（2）同步机制

pthread_mutex_t mutexQueue;  // 保护任务队列的互斥锁
pthread_cond_t condQueue;    // 通知线程有新任务的条件变量

互斥锁：确保对 taskQueue 和 taskCount 的访问是线程安全的。
条件变量：当队列为空时，让线程等待；当有新任务时，唤醒线程。

2. 关键函数

（1）提交任务 (`submitTask`)

void submitTask(Task task) {pthread_mutex_lock(&mutexQueue);taskQueue[taskCount] = task;  // 添加任务到队列尾部taskCount++;pthread_mutex_unlock(&mutexQueue);pthread_cond_signal(&condQueue);  // 唤醒一个等待的线程
}

线程安全：通过互斥锁保护队列操作。
信号通知：调用 pthread_cond_signal 唤醒一个阻塞的线程（如果有）。

（2）线程执行逻辑 (`startThread`)

void* startThread(void* args) {while (1) {Task task;// 获取任务（加锁）pthread_mutex_lock(&mutexQueue);while (taskCount == 0) {pthread_cond_wait(&condQueue, &mutexQueue);  // 队列空则等待}// 从队列头部取出任务task = taskQueue[0];for (int i = 0; i < taskCount - 1; i++) {taskQueue[i] = taskQueue[i + 1];  // 队列前移}taskCount--;pthread_mutex_unlock(&mutexQueue);// 执行任务（无锁，可并行）executeTask(&task);}
}

队列空时等待：pthread_cond_wait 会释放锁并阻塞，直到被 pthread_cond_signal 唤醒。
任务调度：采用 FIFO（先进先出） 策略处理任务。
并行执行：executeTask 在锁外执行，多个线程可同时处理不同任务。

（3）任务执行 (`executeTask`)

void executeTask(Task* task) {int result = task->a + task->b;printf("The sum of %d and %d is %d\n", task->a, task->b, result);
}

无锁操作：纯计算任务，可完全并行。

3. 主程序流程

初始化：
- 创建 4 个线程（THREAD_NUM=4）。
- 初始化互斥锁和条件变量。

生成任务：

for (i = 0; i < 100; i++) {Task t = { .a = rand() % 100, .b = rand() % 100 };submitTask(t);  // 提交100个随机任务
}

线程结束：
- 主线程等待所有子线程完成（实际因 while(1) 永不结束，需改进）。

4. 并发与并行分析

特性 实现方式

并发控制 互斥锁保护任务队列，条件变量优化线程等待/唤醒。

并行计算 多个线程同时执行 executeTask（无锁部分）。

特性	实现方式
并发控制	互斥锁保护任务队列，条件变量优化线程等待/唤醒。
并行计算	多个线程同时执行 `executeTask`（无锁部分）。
任务调度	线程竞争获取任务，队列为空时阻塞，避免忙等待。

任务调度

线程竞争获取任务，队列为空时阻塞，避免忙等待。

C语言的线程池API设计与实现

线程池是一种管理多个线程的技术，可以避免频繁创建销毁线程的开销。

基本结构

typedef struct {pthread_t* threads;TaskQueue* queue;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t notify;int thread_count;int shutdown;
} ThreadPool;

核心API

创建线程池：

ThreadPool* tp_create(int thread_count) {ThreadPool* pool = malloc(sizeof(ThreadPool));// 初始化互斥锁、条件变量等return pool;
}

添加任务：

void tp_add_task(ThreadPool* pool, void (*func)(void*), void* arg) {Task task = {func, arg};pthread_mutex_lock(&pool->lock);enqueue(pool->queue, task);pthread_cond_signal(&pool->notify);pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
}

工作线程函数：

void* worker_thread(void* arg) {ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;while(1) {pthread_mutex_lock(&pool->lock);while(pool->queue->size == 0 && !pool->shutdown) {pthread_cond_wait(&pool->notify, &pool->lock);}// 获取并执行任务pthread_mutex_unlock(&pool->lock);}return NULL;
}

线程池中的C函数指针

在线程池实现中，函数指针用于表示任务：

typedef struct {void (*function)(void*);void* argument;
} Task;

使用方法

定义任务函数：

void print_hello(void* arg) {int id = *(int*)arg;printf("Hello from task %d\n", id);
}

提交任务：

int task_id = 42;
tp_add_task(pool, print_hello, &task_id);

高级技巧

使用函数指针数组实现多态任务处理：

void (*handlers[])(void*) = {handle_type_a, handle_type_b, handle_type_c};// 根据任务类型调用不同处理函数
void process_task(Task* task) {int type = get_task_type(task);handlers[type](task->argument);
}

遇到的问题与解决方案

问题1：为什么我的线程池没有输出？

现象：提交任务后程序无输出，直接退出。

原因：主线程在提交任务后立即退出，导致整个进程终止。

解决方案：

// 添加等待机制
while(tasks_not_completed) {sleep(1);
}

问题2：如何避免线程池中的任务饥饿？

解决方案：

实现任务优先级队列
使用工作窃取(Work Stealing)算法
限制每个线程处理的任务数量

问题3：信号量和互斥锁混用时死锁

错误代码：

void foo() {pthread_mutex_lock(&mutex);sem_wait(&sem);  // 可能死锁// ...
}

正确做法：保持锁的获取顺序一致，或重构代码减少锁的嵌套。

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测算方式：参考CSSCI《北京航空航天大学学报(社会科学版)》沈映春（2024）老师的做法，如商图指标构建图所示。包含内容： 样例代码： 样例数据： 参考文献：沈映春,张豪兴.数字基础设施建设…...

编程日记 2025/5/1 12:51:48

【Kubernetes】如何使用 kubeadm 搭建 Kubernetes 集群？还有哪些部署工具？

使用 kubeadm 搭建 Kubernetes 集群是一个比较常见的方式。kubeadm 是 Kubernetes 提供的一个命令行工具，它可以简化 Kubernetes 集群的初始化和管理。下面是使用 kubeadm 搭建 Kubernetes 集群的基本步骤： 1. 准备工作确保你的环境中有两台或更多的机…...

编程日记 2025/5/7 9:53:22

Java 枚举类 Key-Value 映射的几种实现方式及最佳实践

Java 枚举类 Key-Value 映射的几种实现方式及最佳实践前言在 Java 开发中，枚举(Enum)是一种特殊的类，它能够定义一组固定的常量。在实际应用中，我们经常需要为枚举常量添加额外的属性，并实现 key-value 的映射关系。本文将详细…...

编程日记 2025/4/23 23:10:51

JavaScript instanceof 运算符全解析

JavaScript instanceof 运算符全解析核心语义：判断一个对象（object）是否属于某个构造函数（constructor）或类的实例，基于原型链（prototype chain）实现类型检测。一、JavaScript 中的基础用法 1. 语法结构 object instanceof constructor 返回值：布尔值（true/fal…...

编程日记 2025/5/7 4:44:31

问题大集09-如何实现vite创建的react项目的配置别名路径@

（1）如何实现vite创建的react项目的配置别名路径 1）直接修改 Vite 配置文件 ①打开项目根目录下的 vite.config.js 文件（如果没有则新建），添加 resolve.alias 配置（新增resolve部分）…...

编程日记 2025/5/6 8:39:11

鸿蒙开发_TS快速入门_TS中模块化操作_模块的导入导出---纯血鸿蒙HarmonyOS5.0工作笔记008

然后我们再来看鸿蒙中的模块如何导入导出。其实就跟Java中的import是一个意思的。只不过我们如果想把一个类中的某个方法导入到另一个类中，那么首先要在这个类中去导出这个方法。可以看到导出的关键字是export。然后导入的关键字是import。然后我们写个例子去看一下，…...

编程日记 2025/4/28 0:50:01

算法设计与分析之“分治法”

分治法（Divide and Conquer）是一种高效的算法设计策略，其核心思想是将复杂问题分解为多个子问题，递归求解后再合并结果。以下是分治法的详细介绍： 一、分治法的基本步骤分治法遵循以下三步流程： 分解&…...

编程日记 2025/5/6 4:14:34

java 静态内部类

java 静态内部类一、位置二、特点三、静态内部类的实例化四、代码示例一：演示特点一五、代码示例二：演示特点二六、代码实例三：演示特点三七、代码实例四：演示特点四文章同步更新（更好的排版）&#xff1a…...

编程日记 2025/5/5 17:35:04

Axure疑难杂症：完美解决文本框读取、赋值、计数（玩转文本框）

亲爱的小伙伴，在您浏览之前，烦请关注一下，在此深表感谢！ 课程主题：玩转文本框主要内容：文本框读取、赋值、验证、计数应用场景：验证码、文本限制、文本取值、文本赋值等场景案例展示&…...

编程日记 2025/5/5 12:49:47

Python数据可视化-第2章-使用matplotlib绘制简单图表

环境开发工具 VSCode库的版本 numpy1.26.4 matplotlib3.10.1 ipympl0.9.7教材本书为《Python数据可视化》一书的配套内容，本章为第2章使用matplotlib绘制简单图表本文主要介绍了折线图、柱形图或堆积柱形图、条形图或堆积条形图、堆积面积图、直方图、饼图或…...

编程日记 2025/4/29 1:29:59

国产系统服务器识别不到SATA盘

在使用浪潮、海光、华三等系列服务器安装操作系统的时候提示没有足够的存储空间，其实是有两块512的SATA硬盘的，但是他没有识别到。需要给硬盘做raid存储阵列才能让系统识别到他，下面是在BIOS中配置RAID的方法。 1、重启机器，按下…...

编程日记 2025/5/7 0:03:09

二进制信号量：线程同步的基础

什么是二进制信号量？

二进制信号量的基本操作

二进制信号量与互斥锁的区别

实际应用中的选择

获取信号量的值

1. 互斥锁（Mutex）

作用

特点

C语言示例

适用场景

2. 信号量（Semaphore）

作用

特点

C语言示例

适用场景

3. 条件变量（Condition Variable, cond）

作用

特点

C语言示例

适用场景

三者的核心区别

如何选择？

常见问题解答

Q1: 为什么条件变量需要配合互斥锁？

Q2: 二进制信号量（初始值为1）和互斥锁的区别？

Q3: 信号量的post和条件变量的signal有何不同？

深入理解并行与并发及C语言线程池实现

并行(Parallelism) vs 并发(Concurrency)

1. 核心组件

（1）数据结构

（2）同步机制

2. 关键函数

（1）提交任务 (submitTask)

（2）线程执行逻辑 (startThread)

（3）任务执行 (executeTask)

3. 主程序流程

4. 并发与并行分析

C语言的线程池API设计与实现

基本结构

核心API

线程池中的C函数指针

使用方法

高级技巧

遇到的问题与解决方案

问题1：为什么我的线程池没有输出？

问题2：如何避免线程池中的任务饥饿？

问题3：信号量和互斥锁混用时死锁

相关文章：

Q3: 信号量的`post`和条件变量的`signal`有何不同？

（1）提交任务 (`submitTask`)

（2）线程执行逻辑 (`startThread`)

（3）任务执行 (`executeTask`)