多线程的基本使用与多线程中条件变量的使用——消费者生产者问题实例

本文主要涉及多线程的使用方法，通过两个实例来对多线程的使用进行理解，
案例包括：
1.一个线程负责计数，另一个线程负责打印计数值
2.消费者生产者问题

一、 多线程地基本用法

1.1 多线程概念

线程：线程是进程的一部分，是 CPU 调度和分派的基本单位。一个进程可以包含多个线程，这些线程共享进程的资源（如内存），但每个线程都有自己的堆栈和局部变量。

多线程：多线程是指一个进程中有多个执行路径，每个执行路径都称为一个线程。多线程允许程序同时执行多个任务，增强了程序的并发性和响应性。

1.2 多线程的优势

1. 响应性：当一个线程等待某些操作完成时，其他线程可以继续执行，提高了整体系统的响应性。
2. 资源共享：多个线程可以共享同一个进程的资源，如内存，文件句柄等。
3. 经济性：线程的创建和销毁比进程更为经济，因为线程间的上下文切换比进程间的上下文切换要快。

1.3 常用的多线程函数

1. pthread_create：创建一个新的线程。
2. pthread_join：等待一个线程结束。
3. pthread_exit：线程自己退出。
4. pthread_mutex_init、pthread_mutex_lock、pthread_mutex_unlock：用于创建和管理互斥锁，确保在某一时刻只有一个线程访问共享资源。
5. pthread_cond_init、pthread_cond_wait、pthread_cond_signal：条件变量用于线程间的通信。

1.4 实际案例（一个负责计数一个负责打印）

考虑一个简单的场景：有两个线程，一个线程负责计数，另一个线程负责打印计数值。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>  // 用于 usleep 函数

int count = 0;
pthread_mutex_t count_mutex;

void *increment_counter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&count_mutex);
        count++;
        pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
        usleep(300000);  // 休眠 300ms
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void *print_counter(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&count_mutex);
        printf("Count: %d\n", count);
        pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
        usleep(300000);  // 休眠 300ms
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    pthread_mutex_init(&count_mutex, NULL);

    pthread_create(&thread1, NULL, increment_counter, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, print_counter, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&count_mutex);

    return 0;
}

在上述例子中，两个线程并发地增加和打印计数值，为了确保计数的正确性，使用了互斥锁。其中有两个线程：increment_counter 和 print_counter。其中，一个线程用于增加一个全局计数器 count 的值，而另一个线程则用于打印这个计数器的值。

以下是代码的工作流程：

1. 全局变量和互斥锁：定义了一个全局变量 count 和一个互斥锁 count_mutex。互斥锁用于确保同时只有一个线程可以修改 count 的值，从而避免了竞争条件。

2. 增加计数器的线程：increment_counter 函数负责增加 count 的值。在每次增加之前，线程会锁定互斥锁，然后在增加后解锁它。此外，为了模拟一些处理时间，线程使用 usleep 函数休眠 300 毫秒。

3. 打印计数器的线程：print_counter 函数负责打印 count 的当前值。它也使用相同的互斥锁来确保在打印之前和之后正确地锁定和解锁。

4. 主函数：在 main 函数中，首先初始化互斥锁。然后创建两个线程，一个用于增加计数器，另一个用于打印计数器的值。使用 pthread_join 确保主线程等待这两个线程完成后再继续执行。最后，清理互斥锁并退出程序。

运行此程序时，您应该会看到交替的输出，其中每个值都是先增加线程更改后的最新值。由于使用了互斥锁，所以不会出现不一致或竞争条件的情况。

1.5 usleep在上面案例中地重要性

如果没有这个延迟，可能会看到一些奇怪的行为，甚至可能出现全是10的情况。这是因为线程调度的机制。

在多线程环境中，操作系统会为每个线程分配时间片（也称为CPU时间），一个线程在分配的时间片用完后，操作系统可能会将其挂起并切换到另一个线程。这种切换是不确定的，即无法预测两个线程之间的交替顺序。

如果没有延迟，increment_counter 线程可能会迅速地递增 count 到10，然后print_counter线程开始运行，因为没有其他操作或延迟来改变这种行为。因此，可能会看到很多行都是 Count: 10。

但是，当在关键部分（如对 count 的递增和打印）添加了延迟时，会更有机会看到这两个线程之间的交互，因为操作系统的线程调度会更频繁地进行线程切换，从而使得递增和打印的操作交错进行。

延迟在这里有助于模拟和增强多线程的交互效果，使得并发问题更容易观察和理解。

二、 多线程的条件变量

条件变量 (Condition Variables) 是一种线程同步机制，它允许一个或多个线程等待某个特定的条件得到满足后再继续执行。它通常与互斥量 (Mutex) 一起使用，以确保在检查条件和等待条件之间的操作是原子的。

2.1 基本的条件变量操作：

1. 初始化条件变量:

   pthread_cond_t cond_var = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
   

2. 等待条件满足:

   pthread_cond_wait(&cond_var, &mutex);
   

   此函数会释放互斥量并阻塞当前线程，直到另一个线程调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 并重新获得互斥量。

3. 发送信号:

   pthread_cond_signal(&cond_var);
   

   此函数唤醒一个等待在条件变量上的线程。如果有多个线程等待，那么哪一个会被唤醒是不确定的。

4. 广播信号:

   pthread_cond_broadcast(&cond_var);
   

   此函数唤醒所有等待在条件变量上的线程。

2.2 实际案例 - 生产者-消费者问题

考虑一个经典的生产者-消费者问题，其中生产者线程在一个有限的缓冲区中放入数据，而消费者线程从缓冲区中取出数据。

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

#define BUFFER_SIZE 10
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_empty, &mutex);
        }
        buffer[count++] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);
        pthread_cond_signal(&cond_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond_full, &mutex);
        }
        int value = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d\n", value);
        pthread_cond_signal(&cond_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod_thread, cons_thread;
    
    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    return 0;
}

在这个例子中，我们有一个缓冲区和一个互斥量来保护它。生产者和消费者线程都会检查缓冲区的状态，并在缓冲区满或空时等待条件变量的信号。当生产者放入数据时，它会唤醒消费者（如果它在等待）。反之亦然，当消费者消费数据时，它会唤醒生产者。这确保了生产者和消费者之间的同步和协调。