进程与线程 （三）——线程间通信

C语言线程间通信方法的理论涉及如何有效地在多个线程之间传递数据或同步操作。因为线程共享进程内存，线程间的通信主要依赖于共享内存和同步机制。以下是几种常见的线程间通信方法：

1. 共享内存通信

在多线程程序中，线程通常共享同一进程的内存地址空间。通过共享内存，线程可以直接读写公共数据进行通信。

• 优点：高效，因为共享内存不需要数据传输。
• 缺点：容易导致数据竞争和不一致性。

问题：

• 数据竞争：多个线程同时访问和修改共享数据时，可能导致数据不一致或程序崩溃。
• 内存一致性问题：不同线程可能会看到不一致的内存状态，尤其是在没有同步措施时。

解决方案：

• 使用同步机制（如互斥锁、条件变量、信号量等）来确保对共享内存的安全访问。

2. 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最常见的线程同步工具，确保在同一时间只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁通过加锁和解锁操作来保护共享资源，防止多个线程同时访问造成的数据竞争。

工作原理：

• 当一个线程请求互斥锁时，如果锁被其他线程占用，它将阻塞，直到锁被释放。
• 如果锁没有被占用，线程就可以获取锁并访问共享资源。

使用场景：当多个线程需要操作同一共享资源时，使用互斥锁来确保线程安全。

代码示例：

#include <pthread.h> 
#include <stdio.h> 
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
int shared_data = 0; 
void* thread_func(void* arg) 
{ 
    pthread_mutex_lock(&mutex); shared_data++; // 修改共享数据 
    printf("Thread %d: shared_data = %d\n", (int)arg, shared_data);                                                     
    pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    return NULL; 
} 
int main() 
{ 
    pthread_t threads[5]; 
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    { 
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, (void*)i); 
    } 
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    { 
        pthread_join(threads[i], NULL); 
    } 
    return 0; 
}

3. 信号量（Semaphore）

信号量是一种用于控制访问共享资源的计数器。信号量通过对计数器的加减操作来控制线程的执行，通常用于限制同时执行某些操作的线程数。

信号量类型：

• 计数信号量：计数信号量表示资源的数量，可以用于控制多个线程并发访问资源。
• 二值信号量（Binary Semaphore）：只有 0 和 1 两个值，类似于互斥锁，通常用于线程间的互斥。

使用场景：控制对资源的访问，避免多个线程同时访问共享资源导致冲突。

代码示例：

#include <pthread.h> 
#include <stdio.h> 
#include <semaphore.h> 
sem_t sem; 
void* thread_func(void* arg) 
{ 
    sem_wait(&sem); // 获取信号量 
    printf("Thread %d: Critical section\n", (int)arg); sem_post(&sem); // 释放信号量 
    return NULL; 
} 
int main() 
{ 
    pthread_t threads[5]; 
    sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化信号量，初始值为1 
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    { 
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, (void*)i); 
    } 
    for (int i = 0; i < 5; i++) 
    { 
        pthread_join(threads[i], NULL); 
    } 
    sem_destroy(&sem); // 销毁信号量 
    return 0; 
}

4. 消息队列（Message Queue）

消息队列用于线程之间传递消息或数据。它允许一个线程将消息放入队列中，另一个线程从队列中读取消息。

工作原理：

• 消息队列通过内存缓冲区存储消息，生产者线程将消息放入队列，消费者线程从队列取出并处理消息。
• 阻塞或非阻塞的方式可用来等待队列中的消息。

使用场景：适用于需要线程之间传递复杂数据或通知的场景。

总结

C语言中线程间的通信方法涉及不同的同步机制，如互斥锁、条件变量、信号量、消息队列等。每种方法适用于不同的场景，选择合适的同步机制可以有效地确保线程间的协作和数据一致性。使用这些同步工具时，需要特别注意避免死锁、饥饿等问题，确保程序的正确性和性能。