13｜标准库：你需要了解的 C 并发编程基础知识有哪些？

于航

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该思维导图由 AI 生成，仅供参考

你好，我是于航。
在构建高性能应用时，并发编程是我们经常采用的一种技巧。它通过在程序的运行进程内提供可控制粒度更细的“线程”，从而将程序的整体功能拆分为更小的独立任务单元，并以此来进一步利用多核 CPU 的运算资源。
对于 C11 标准之前的 C 语言来说，想要构建多线程应用，只能依赖于所在平台上的专有接口，比如 Unix 与类 Unix 平台上广泛使用的 POSIX 模型，以及后起之秀 OpenMP 模型等。这些模型提供的编程接口，以及所支持平台都有很大的不同。因此，对于那时的 C 语言来说，想要编写高可移植性的多线程应用，仍需要花费很大功夫。
而自 C11 标准后，C 语言为我们专门提供了一套通用的并发编程接口，你可以通过标准库头文件 threads.h 与 stdatomic.h 来使用它们。其中，threads.h 中包含有与线程控制、互斥量、条件变量，以及线程本地存储相关的接口；而 stdatomic.h 中则包含有与原子操作相关的接口。这些接口提供了多种不同方式，可用来避免多线程应用在运行过程中可能遇到的各类线程同步问题。
C11 标准的发布，理论上使构建可移植的多线程 C 应用成为可能，但现实情况却并非这样理想。各类 C 标准库对 C11 中并发编程接口的支持程度不同，比如 Glibc（GNU C 标准库）在其 2018 年中旬发布的 2.28 版本中，才将相关接口进行了较为完整的实现。这就导致了 C11 标准中的这些重要特性，至今（2022 年初）仍然没有得到较为广泛的应用。

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C语言并发编程是构建高性能应用的重要技术之一。C11标准为多线程应用提供了通用的并发编程接口，但实际应用中仍需注意不同C标准库对其支持程度的差异。文章介绍了进程与线程的区别，以及C代码中创建线程的基本控制方法。通过使用threads.h头文件提供的接口，可以实现对线程的创建、等待、阻塞、分离和重新调度等操作。此外，文章还提到了多线程应用中可能遇到的数据竞争、竞态条件和指令重排等问题。文章内容涵盖了C语言并发编程的基础知识和相关接口的基本使用方式，适合读者快速了解并发编程的概况。文章通过具体的代码示例和解释，深入浅出地介绍了数据竞争和竞态条件的概念，以及在多线程环境下可能出现的问题。读者可以从中了解到并发编程中常见的陷阱和注意事项，为自己的程序设计和优化提供参考。文章还提到了指令重排的问题，为读者展示了并发编程中的一些细节和隐患，帮助他们更全面地理解并发编程的复杂性。整体而言，本文通过生动的例子和清晰的解释，为读者呈现了C语言并发编程的重要概念和技术特点，对于想要深入了解并发编程的读者具有一定的参考价值。

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1. IO密集型的应用。因为CPU等待IO完成的时间很多，在等待的时间内，多线程可以让其他应用继续执行 2. 有多核CPU时的计算密集型应用。因为可以利用多核CPU并行的优势，来快速完成计算
作者回复: 回答的很棒！
2022-01-12

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赵岩松
对于PCB我一直有一个疑惑，在我的理解中这个概念是操作系统统一的一个抽象概念，同时据我所知Linux中存在两个进程相关的结构：`thread_info`和`task_struct`，那么PCB和这两个结构有没有对应关系呢？至于TCB是我今天第一次听到的一个概念，同样的这个概念与前面提到的两个Linux结构有对应关系吗？
作者回复: 是的，其实 PCB 与 TCB 就是针对进程和线程的两个不同的抽象概念，具体实现是可以多种多样的。简单来讲，Linux 在实现中没有为进程和线程单独设置用于存放相关信息的数据结构，而是统一使用 task_struct 存储通用的任务信息，使用 thread_info 存放平台相关的信息。区分是不是线程就看不同 task_struct 对象之间有没有共享资源。即你可以认为在 Linux 中只有进程（PCB），没有独立的线程（TCB）。而相较于 Windows 和 Sun Solaris 等明确区分进程与线程的操作系统实现，Linux 的实现相对更加优雅。 — 参考自《Linux Kernel Development 3rd Edition》，基于 2.6 版本内核。
2022-01-12

8
Luke
Windows的VC对于c11的threads支持不好，微软是希望大家在它平台上用c艹😂，如果头铁非要在Windows上写标准化的C语言程序，threads这块老师有什么替代方案吗？pthread？一开始在Linux下gcc编译，提示找不到thrd_xx的符号，原来编译选项要从-lthreads改成-pthreads
作者回复: Windows 我用的少，盲猜 pthread 可能好用一些 hhh
2022-09-06归属地：江苏

3
　焚心以火
大家有遇到 fatal error: 'threads.h' file not found 是怎么解决的呢？
作者回复: 大多数情况是由于编译器不支持 C11 的多线程特性，你可以通过检测宏常量 __STDC_NO_THREADS__ 来判断当前编译器是否支持 threads.h，然后仅在支持的情况下再 include。
2022-02-09

2
烟徒
现在 C11 的 threads.h 库支持不是特别完善，用 c11 来讲，省劲是省劲，。。。
作者回复: 嗯是的，确实是这样，大部分情况还是 posix。
2023-03-13归属地：北京

1
杰良
老师好，指令重排的例子，试了十多次没出现打印 x 为 0 的情况。这里可能发生的先执行 y 变量的更新的原因会是什么呢？
作者回复: 主要是由于 CPU 流水线在执行指令时的顺序不确定性。乱序执行的目的本身还是在于提高指令执行性能。比如通过合理安排执行顺序，减少指令执行之间的数据等待，等等。
2022-10-26归属地：广东

1
小杰
如果编译显示没有threads文件，有两种方法可以解决。1、使用pthread.h头文件，使用方式与threads一样，也有不同的地方，但是极少。2、使用ubuntu20.04,gcc+glibc都是支持threads.h的，编译时可能也会出现没有此文件的错误，因为缺少一些文件。具体希望大家动手去解决。最后回答一下老师的问题，适合场景应该是高并发，比如大量消息队列的处理，可以使用多线程。可以不用去等待一个任务执行完毕，再去执行下一个任务，这样可以充分利用cpu
作者回复: 赞👍🏻
2022-05-07

1
ppm
请问一个进程里面长时间有多个线程好不好
作者回复: 可以再描述的具体点？
2022-01-12
4
1
漠博嵩
cmake 说找不到。函数
作者回复: 哪一个函数没找到？
2022-05-28

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ABC
便可能出现这样一种情况：某个线程以原子形式，执行了代码的第 14 行语句，将金额累加到账户 A。而此时，调度器将执行流程转移给另一个线程。该线程在上一个线程还没有完成对账户 B 的扣减操作前，便直接使用未同步的值参与了下一次的转账操作。这句话表述有问题，应该是：便可能出现这样一种情况：某个线程以原子形式，执行了代码的第 14 行语句，将金额累加到账户 B。而此时，调度器将执行流程转移给另一个线程。该线程在上一个线程还没有完成对账户 A 的扣减操作前，便直接使用未同步的值参与了下一次的转账操作。
2023-08-25归属地：北京

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