C語言多線程編程：實戰優化與疑難解答

C 語言多線程編程：實戰優化與疑難解答

在現代計算機系統中，多線程編程已成為提高應用程序性能的必備技術。本文將探討C 語言中的多線程編程，包括優化技巧和常見疑難解答，並提供實戰案例以加深理解。

優化技巧

• 使用互斥鎖保護共享數據：使用互斥鎖可以防止多個線程同時訪問共享數據，避免競爭條件和數據損壞。
• 優化鎖粒度：使用細粒度的鎖（只鎖住真正需要的資源）可以提高性能。
• 利用並發原語：使用條件變量、信號量和柵欄等並發原語可以提高代碼的可讀性和可靠性。
• 減少線程創建和銷毀：創建和銷毀線程需要耗費資源，盡量重用線程可以提高效率。

疑難解答

• 死鎖：當兩個或多個線程都在等待對方釋放鎖時，就會發生死鎖。避免死鎖的一種方法是遵循一種鎖定的順序。
• 競態條件：當多個線程同時訪問共享數據時，就會發生競態條件。使用互斥鎖或原子操作可以解決此問題。
• 數據損壞：當多個線程同時修改共享數據時，可能會導致數據損壞。使用保護機制（例如互斥鎖）可以防止這種情況發生。

實戰案例

讓我們考慮一個計算素數的程序。我們可以使用多線程來並行計算不同範圍的素數：

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

// 線程參數結構體typedef struct {
    int start;
    int end;
} thread_args_t;

// 素數計算線程函數void* prime_thread(void* arg) {
    thread_args_t* args = (thread_args_t*)arg;
    int num_primes = 0;
    
    // 在指定的範圍內查找素數for (int i = args->start; i < args->end; i ) {
        // 判斷i 是否是素數int is_prime = 1;
        for (int j = 2; j * j <= i; j ) {
            if (i % j == 0) {
                is_prime = 0;
                break;
            }
        }
        
        if (is_prime) {
            num_primes ;
        }
    }
    
    // 將結果傳遞回主線程return (void*)num_primes;
}

int main(int argc, char** argv) {
    int num_threads = 4; // 線程數量int num_ranges = 5; // 素數計算範圍數量int start_ranges[num_ranges]; // 每個範圍的起始值int end_ranges[num_ranges]; // 每個範圍的結束值// 初始化範圍int per_range = 100000 / num_ranges; // 每個範圍的大小for (int i = 0; i < num_ranges; i ) {
        start_ranges[i] = per_range * i;
        end_ranges[i] = per_range * (i 1);
    }
    
    // 創建互斥鎖pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    // 創建線程pthread_t threads[num_threads];
    thread_args_t thread_args[num_threads];
    
    int total_primes = 0;
    for (int i = 0; i < num_threads; i ) {
        // 設置線程參數thread_args[i].start = start_ranges[i];
        thread_args[i].end = end_ranges[i];
        
        // 創建線程pthread_create(&threads[i], NULL, &prime_thread, &thread_args[i]);
    }
    
    // 等待所有線程完成for (int i = 0; i < num_threads; i ) {
        void* result;
        pthread_join(threads[i], &result);
        
        // 使用互斥鎖保護對total_primes 的訪問pthread_mutex_lock(&mutex);
        total_primes = (int)result;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    // 打印結果printf("Total primes: %d\n", total_primes);
    
    // 銷毀互斥鎖pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

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