【C语言系统编程】【第二部分：并发编程】2.3 实践与案例分析

2.3 实践与案例分析

2.3.1 案例分析：多线程文件搜索程序

本文中，我们将通过一个多线程文件搜索程序的案例，展示如何在实际项目中应用多线程编程技术，并具体介绍任务分解、线程创建、结果汇总及锁机制的应用。

2.3.1.1 任务分解与线程创建

在一个多线程文件搜索程序中，我们首先需要将搜索任务分解为多个子任务，每个子任务由一个线程执行。

• 任务分解：将整个文件夹树的搜索任务分解成若干个独立的搜索路径，每个线程负责一个或多个搜索路径。这种方式能够充分利用多核CPU，提高搜索效率。
• 线程创建：利用POSIX线程库中的 pthread_create 函数创建多个线程，并让每个线程执行它们分配到的搜索任务。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <dirent.h>#define MAX_THREADS 10// 线程函数声明
void* search_file(void *arg);// 任务结构体定义
typedef struct {char path[256];   // 搜索路径 [1]char target[256]; // 目标文件名 [2]
} SearchTask;int main() {pthread_t threads[MAX_THREADS];      // 线程数组 [3]SearchTask task[MAX_THREADS];        // 任务数组 [4]// 初始化任务，例如将 /home/user 作为搜索路径strcpy(task[0].path, "/home/user");    // 设置搜索路径 [5]strcpy(task[0].target, "target_file.txt");  // 设置目标文件 [6]// 创建线程if (pthread_create(&threads[0], NULL, search_file, (void*)&task[0])) {  // 创建线程 [7]fprintf(stderr, "Error creating thread\n");return 1;}// 等待线程完成for (int i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);  // 等待线程结束 [8]}return 0;
}void* search_file(void *arg) {SearchTask *task = (SearchTask*)arg;  // 获取任务参数 [9]DIR *dir;struct dirent *entry; // 目录项结构指针// 打开目录if ((dir = opendir(task->path)) == NULL) {  // 打开目录 [10]perror("opendir() error"); // 处理打开失败情况return NULL;}// 读取目录项while ((entry = readdir(dir)) != NULL) { // 遍历目录项 [11]if (strcmp(entry->d_name, task->target) == 0) {  // 文件名匹配检查 [12]printf("Found file: %s/%s\n", task->path, task->target); // 找到目标文件 [13]break; // 找到文件后退出}}// 关闭目录closedir(dir);return NULL;
}

• [1] 搜索路径：char path[256] 用于存储待搜索的目录路径。
• [2] 目标文件名：char target[256] 保存待查找的文件名。
• [3] 线程数组：pthread_t threads[MAX_THREADS] 用于存储线程ID。
• [4] 任务数组：SearchTask task[MAX_THREADS] 存储每个线程的搜索任务。
• [5] 设置搜索路径：使用 strcpy() 函数初始化任务中路径。
• [6] 设置目标文件：使用 strcpy() 函数初始化任务中目标文件名。
• [7] 创建线程：使用 pthread_create() 函数创建线程并指定执行函数及其参数。
• [8] 等待线程结束：pthread_join() 用于等待线程执行完毕，以确保所有线程在程序结束前完成任务。
• [9] 获取任务参数：将 void* arg 转换为 SearchTask*。
• [10] 打开目录：opendir() 函数打开指定路径的目录，返回目录指针。
• [11] 遍历目录项：使用 readdir() 读取目录内容，将结果存入 struct dirent* entry。
• [12] 文件名匹配检查：strcmp() 判断目录项名称是否与目标文件名相同。
• [13] 找到目标文件：匹配后打印出文件的完整路径。

2.3.1.2 线程间结果汇总

在一个多线程程序中，各个线程需要将它们的搜索结果汇总到一个共享的数据结构中。为了确保线程安全，汇总结果时需要使用同步机制。

• 共享数据结构：可以使用一个全局链表或数组来存储搜索到的目标文件路径。
• 线程安全：在访问共享数据结构时使用互斥锁 (pthread_mutex_t) 来防止数据竞态条件。

#include <pthread.h>// 定义一个互斥锁
pthread_mutex_t lock;// 定义一个二维字符数组用于存储搜索结果
char results[10][256]; // 假设最多可以存储10个结果 [1]// 函数 search_file：用于在文件中搜索
void* search_file(void *arg) {// ... 进行搜索的代码，与前代码段一致 ...// 加锁以保证线程安全pthread_mutex_lock(&lock);// 将结果存储到共享的 `results` 数组中strcpy(results[0], task->path); // 假设将结果存储到第一个位置 [2]// 解锁以允许其他线程访问pthread_mutex_unlock(&lock);// ... 继续进行其余的搜索逻辑 ...return NULL; // 返回空指针表示线程无返回值 [3]
}int main() {// 初始化互斥锁pthread_mutex_init(&lock, NULL); // 使用默认属性初始化锁 [4]// 创建线程并等待其完成，这部分代码在较早示例中提供// ... 线程创建及执行代码略 ...// 销毁互斥锁pthread_mutex_destroy(&lock); // 销毁锁以释放系统资源 [5]return 0;
}

• [1] 结果存储数组：char results[10][256] 定义了一个二维数组，能够存储最多10个字符串结果，每个结果最长256字节。
• [2] 结果存储到共享数组：strcpy(results[0], task->path); 此行示例中假设将结果存储在 results 数组的第一个位置。实际存储位置需要根据逻辑进行动态选择。
• [3] 返回空指针：线程函数search_file不需要返回具体数据，直接返回 NULL。
• [4] 初始化互斥锁：pthread_mutex_init(&lock, NULL); 用于初始化互斥锁，NULL 表示使用默认的锁属性。
• [5] 释放锁资源：pthread_mutex_destroy(&lock); 销毁互斥锁，以释放占用的系统资源，这通常在主程序最后进行。

2.3.1.3 锁机制的应用

为了避免多个线程同时操作共享数据而导致竞态条件，需要使用互斥锁机制来确保线程安全。

• 互斥锁：在每次访问共享数据结构之前，先锁住互斥锁 (pthread_mutex_lock)，操作完成后解锁 (pthread_mutex_unlock)。
• 应用场景：在搜索结果的汇总过程中，各个线程需要安全地将找到的结果存储到共享的数据结构中，使用锁能确保各线程按照序列进行数据操作。

pthread_mutex_lock(&lock); // 锁住数据
// 更新共享数据
pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁数据

以上内容详细讲解了多线程编程中任务分解、线程创建、结果汇总及锁机制的应用。通过这个案例，您可以了解如何在实际项目中应用多线程技术，提高程序的并发处理能力和效率。

2.3.2 案例分析：生产者-消费者模型

2.3.2.1 问题描述与解决思路

生产者-消费者问题是一个经典的并发控制问题，描述了两个线程（或进程）之间的互斥使用共享资源的情况。通常，一个或多个生产者线程负责生产数据并放入一个共享的缓冲区，而一个或多个消费者线程负责从缓冲区中取出数据进行处理。

问题描述：

1. 生产者不断地向缓冲区放入产品。
2. 消费者不断地从缓冲区取出产品。
3. 缓冲区有固定容量，当缓冲区满时，生产者必须等待；当缓冲区空时，消费者必须等待。

解决思路：

1. 使用互斥锁（mutex）保护对共享缓冲区的访问，防止生产者和消费者同时操作缓冲区导致的数据不一致。
2. 使用信号量（semaphore）或条件变量（condition variable）来管理缓冲区的状态，控制生产者和消费者的等待和唤醒。

2.3.2.2 信号量与互斥锁的结合使用

在生产者-消费者问题中，信号量常用于管理缓冲区中的空闲位置和已有数据的数量，而互斥锁则用于保护缓冲区的访问。

信号量：

• 空闲位置信号量：表示缓冲区中可放置产品的位置数量。
• 已有数据信号量：表示缓冲区中已有的产品数量。

互斥锁：

• 这段代码展示了经典的生产者-消费者问题，用缓冲区实现生产者生成产品，消费者消费产品。生产者和消费者之间通过信号量和互斥锁进行同步和互斥控制。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>#define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE];  // 缓冲区 [1]
int in = 0, out = 0;      // 生产和消费的指针 [2]pthread_mutex_t mutex;     // 互斥锁 [3]
sem_t empty, full;         // 信号量：空槽和满槽 [4]// 生产者线程的函数
void *producer(void *param) {int item;while (1) {item = rand() % 100; // 生产一个随机数 [5]sem_wait(&empty);    // 等待空闲位置 [6]pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁，保证对缓冲区操作的原子性 [7]buffer[in] = item;   // 将产品放入缓冲区 [8]in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;   // 环形缓冲区，更新生产序号 [9]printf("Produced: %d\n", item);pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁 [10]sem_post(&full);    // 增加已有产品数量 [11]}
}// 消费者线程的函数
void *consumer(void *param) {int item;while (1) {sem_wait(&full);    // 等待已有产品 [12]pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁，保证对缓冲区操作的原子性 [13]item = buffer[out]; // 从缓冲区取出产品 [14]out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;  // 环形缓冲区，更新消费序号 [15]printf("Consumed: %d\n", item);pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁 [16]sem_post(&empty); // 增加空闲位置数量 [17]}
}// 主函数
int main() {pthread_t prod, cons;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥锁 [18]sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);  // 初始化信号量 `empty`，初始值为 BUFFER_SIZE，表示起始时所有位置都是空的 [19]sem_init(&full, 0, 0);             // 初始化信号量 `full`，初始值为 0，表示起始时一个产品都没有 [20]pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL); // 创建生产者线程 [21]pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL); // 创建消费者线程 [22]pthread_join(prod, NULL); // 阻塞主线程，等待生产者线程结束 [23]pthread_join(cons, NULL); // 阻塞主线程，等待消费者线程结束 [24]pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁 [25]sem_destroy(&empty);           // 销毁信号量 `empty` [26]sem_destroy(&full);            // 销毁信号量 `full` [27]return 0;
}

详细注释

• [1] 缓冲区：用于存储生产者产生而等待被消费者消费的产品。
• [2] 生产和消费的指针：in指向下一个将存入产品的位置，out指向将被消费的产品位置。两者实现环形缓冲区的指针管理。
• [3] 互斥锁：保护对共享缓冲区的访问，确保同一时刻只有一个线程进行写入或读取操作。
• [4] 信号量empty和full：
  • empty表示缓冲区中空余的槽位。
  • full表示缓冲区中已满的槽位，以便消费者知道是否有产品可以消费。
• [5] 生产随机产品：使用rand()函数生成随机数，模拟产品生产。
• [6] 等待空闲位置：通过sem_wait(&empty)若empty信号量为0，则线程会被阻塞，直到有槽位可用。
• [7] 获取互斥锁：确保对共享资源操作的独占性。
• [8] 存放产品：将生产的产品放入缓冲区指定位置。
• [9] 环形缓冲区更新：生产器位置in的循环递增。
• [10] 释放互斥锁：操作完成后释放锁。
• [11] 增加产品数量：信号量full增加，表示多一个产品可消费。
• [12] 等待已有产品：通过sem_wait(&full)若full信号量为0，则线程会被阻塞，直到有产品可用。
• [13] 获取互斥锁：确保对共享资源操作的独占性。
• [14] 消费产品：从缓冲区的指定位置取出产品。
• [15] 环行缓冲区更新：消费者位置out的循环递增。
• [16] 释放互斥锁：操作完成后释放锁。
• [17] 增加空闲位置：信号量empty增加，表示多一个槽位可用。
• [18] 初始化互斥锁：对mutex进行初始化，准备使用。
• [19] 初始化信号量empty：信号量empty表示初始时所有位置都是空的。
• [20] 初始化信号量full：初始值为0，表示起始时没有产品可以消费。
• [21-22] 创建线程：分配并启动生产者和消费者线程。
• [23-24] 等待线程结束：pthread_join用于等待线程结束，确保主线程不会提前退出。
• [25-27] 资源销毁：销毁锁和信号量，释放资源。

2.3.2.3 条件变量的应用

条件变量提供了一种线程间通知的机制。一个线程可以等待特定的条件变量，另一个线程可以在条件变量上发出信号，通知等待的线程条件已经满足。

在生产者-消费者问题中，可以用条件变量实现对缓冲区状态的检查和通知。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h> // 添加stdlib.h用于rand()#define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE]; // 循环缓冲区 [1]
int in = 0, out = 0;     // 生产者和消费者指针 [2]pthread_mutex_t mutex;            // 互斥锁 [3]
pthread_cond_t not_full, not_empty; // 条件变量 [4]// 生产者线程函数
void *producer(void *param) {int item;while (1) {item = rand() % 100; // 生成随机数 [5]pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁 [6]while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out) {pthread_cond_wait(&not_full, &mutex); // 缓冲区满时等待 [7]}buffer[in] = item; // 放入缓冲区 [8]in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;printf("Produced: %d\n", item);pthread_cond_signal(&not_empty); // 通知消费者 [9]pthread_mutex_unlock(&mutex);    // 释放互斥锁 [10]}
}// 消费者线程函数
void *consumer(void *param) {int item;while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁 [11]while (in == out) {pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex); // 缓冲区空时等待 [12]}item = buffer[out]; // 提取缓冲区产品 [13]out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;printf("Consumed: %d\n", item);pthread_cond_signal(&not_full); // 通知生产者 [14]pthread_mutex_unlock(&mutex);   // 释放互斥锁 [15]}
}int main() {pthread_t prod, cons;// 初始化互斥锁和条件变量 [16]pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&not_full, NULL);pthread_cond_init(&not_empty, NULL);// 创建生产者和消费者线程 [17]pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);// 等待线程结束（不会发生）[18]pthread_join(prod, NULL);pthread_join(cons, NULL);// 销毁互斥锁和条件变量 [19]pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&not_full);pthread_cond_destroy(&not_empty);return 0;
}

• [1] 循环缓冲区：定义一个大小为5的整数数组，用于存储生产者生成的数据。
• [2] 生产者和消费者指针：in和out用于指示生产和消费的位置，基于环形缓冲区机制，确保指针在0到BUFFER_SIZE-1之间循环利用。
• [3] 互斥锁：pthread_mutex_t mutex用于确保对共享缓冲区的互斥访问，以避免竞争条件。
• [4] 条件变量：not_full 和 not_empty 用于生产者和消费者之间的同步，确保缓冲区状态改变时进行相应的阻塞或唤醒。
• [5] 生成随机数：生产者生成0-99之间的随机整数作为产品。
• [6] 获取互斥锁：生产者在向缓冲区中放入产品之前锁定互斥锁，确保独占访问。
• [7] 缓冲区满时等待：如果缓冲区满，则生产者在not_full条件变量上等待，直至消费者消耗产品。
• [8] 放入缓冲区：将生成的产品放入缓冲区，并更新生产者索引。
• [9] 通知消费者：生产者生产完产品后，通过pthread_cond_signal()通知可能在等待的消费者。
• [10] 释放互斥锁：对于共享数据操作完成后释放锁，允许其他线程访问。
• [11] 获取互斥锁：消费者在从缓冲区中消费产品之前锁定互斥锁。
• [12] 缓冲区空时等待：如果缓冲区为空，消费者在not_empty条件变量上等待，直至生产者提供产品。
• [13] 提取缓冲区产品：从缓冲区中取出产品，并更新消费者索引。
• [14] 通知生产者：消费者取完产品后，通过pthread_cond_signal()通知可能在等待的生产者。
• [15] 释放互斥锁：消费者完成操作后释放互斥锁。
• [16] 初始化互斥锁和条件变量：在程序开始时初始化全局同步资源。
• [17] 创建生产者和消费者线程：使用pthread_create()启动生产者和消费者线程。
• [18] 等待线程结束（不会发生）：主线程等待生产者和消费者结束，但由于它们是无限循环，因此不会发生。
• [19] 销毁互斥锁和条件变量：程序结束时清理资源。不实际发生在这段代码中，因为程序永远运行。

总结

在生产者-消费者模型中，通过信号量和互斥锁可以有效地管理生产和消费的过程，避免竞争条件。而条件变量提供了更灵活的线程间通知机制，可以更精确地控制生产者和消费者的互相等待和唤醒。

2.3.3 案例分析：读写者问题

读写者（Reader-Writer）问题是经典的并发控制问题之一。在这个问题中，存在多个读者（Reader）和多个写者（Writer），读者可以同时读取数据，而写者在执行写操作时，需要保证没有其他读者或写者。

2.3.3.1 问题描述与解决方案

问题描述：

在共享数据的并发访问中，需要满足以下条件：

1. 当一个写者正在写数据时，不允许任何读者或者写者访问数据。
2. 当一个读者正在读数据时，允许其他读者继续读，但不允许写者写数据。

问题解决方案：

为了解决读写者问题，可以使用读写锁（Reader-Writer Lock）。读写锁允许多个读者同时读取数据，但在有写者进行写操作时，会锁定读访问和写访问。

2.3.3.2 读写锁的使用

使用POSIX线程库中的读写锁可以有效解决读写者问题，以下是一个基本使用示例：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define NUM_READERS 5   // 定义读者线程数量 [1]
#define NUM_WRITERS 2   // 定义写者线程数量 [2]pthread_rwlock_t rwlock;  // 声明读写锁 [3]
int shared_data = 0;      // 共享数据资源 [4]// 读者线程函数
void* reader(void* arg) {int id = *((int*)arg);while (1) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 获取读锁 [5]printf("Reader %d: read shared_data = %d\n", id, shared_data);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 释放读锁 [6]sleep(1);}return NULL;
}// 写者线程函数
void* writer(void* arg) {int id = *((int*)arg);while (1) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 获取写锁 [7]shared_data++;printf("Writer %d: updated shared_data to %d\n", id, shared_data);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 释放写锁 [8]sleep(2);}return NULL;
}int main() {pthread_t readers[NUM_READERS], writers[NUM_WRITERS];int ids[NUM_READERS > NUM_WRITERS ? NUM_READERS : NUM_WRITERS];pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);  // 初始化读写锁 [9]// 创建读者线程for (int i = 0; i < NUM_READERS; i++) {ids[i] = i + 1;pthread_create(&readers[i], NULL, reader, &ids[i]);  // 创建读者线程 [10]}// 创建写者线程for (int i = 0; i < NUM_WRITERS; i++) {ids[i] = i + 1;pthread_create(&writers[i], NULL, writer, &ids[i]);  // 创建写者线程 [11]}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < NUM_READERS; i++) {pthread_join(readers[i], NULL);  // 等待读者线程终止 [12]}for (int i = 0; i < NUM_WRITERS; i++) {pthread_join(writers[i], NULL);  // 等待写者线程终止 [13]}pthread_rwlock_destroy(&rwlock);  // 销毁读写锁 [14]return 0;
}

• [1] 读者线程数量：#define NUM_READERS 5 表示创建5个读者线程。
• [2] 写者线程数量：#define NUM_WRITERS 2 表示创建2个写者线程。
• [3] 读写锁声明：pthread_rwlock_t rwlock 用于同步对共享数据的访问。
• [4] 共享数据资源：变量 shared_data 是所有线程共享访问的整数。
• [5] 获取读锁：pthread_rwlock_rdlock 保证能安全地读共享数据。
• [6] 释放读锁：pthread_rwlock_unlock 在读数据结束后释放锁，以允许其他线程访问。
• [7] 获取写锁：pthread_rwlock_wrlock 为写者线程获取独占访问权。
• [8] 释放写锁：pthread_rwlock_unlock 在写操作结束后释放锁。
• [9] 初始化读写锁：pthread_rwlock_init 函数用于读写锁的初始化处理。
• [10] 创建读者线程：pthread_create 启动指定数量的读者线程。
• [11] 创建写者线程：pthread_create 启动指定数量的写者线程。
• [12] 等待读者线程终止：pthread_join 用于等待对应的读者线程执行结束。
• [13] 等待写者线程终止：pthread_join 用于等待对应的写者线程执行结束。
• [14] 销毁读写锁：pthread_rwlock_destroy 清理和释放读写锁的资源。

这段代码示例了一个经典的读者-写者问题的同步解决方案，确保多个读者可以并发地读取资源，但只允许一个写者可以更新资源。

2.3.3.3 优化与性能分析

优化建议：

1. 读优先 vs 写优先：根据应用场景，可以设置锁的策略，例如优先读还是优先写。可以通过调整锁的使用顺序，防止读者或写者饥饿。
2. 线程设计：在实际程序中，可以根据读写操作频率调整读者和写者的数量。
3. 调整锁策略：如果共享数据的访问频率较高，可以考虑减少锁的争用。例如通过分段锁定减少锁的冲突。

性能分析：

使用读写锁显著提高了并发性，因为读操作不相互干扰。但需要注意的是，如果写操作频繁，可能导致读操作的延迟。因此，对于高并发的读操作，读写锁是有效的，但如果有大量的写操作需求，可能需要重新审视锁策略或者使用其他并发控制机制。

通过本文中读写锁的基本介绍及实际代码示例，可以帮助解决经典的读写者问题，提升对并发编程的理解与应用能力。

上述解释包括了对读写者问题的描述，引入了读写锁的相关概念，并通过实际的C语言代码展示了如何使用读写锁，最后对优化措施和性能进行了简单分析。