C语言通过案例讲解并发编程模型

什么是并发编程模型？

并发编程模型是指一种应用程序设计的方法，通过该方法，应用程序可以让多个任务并行执行。在并发编程中，任务并不是按顺序依次执行的，而是在同时执行。并发编程旨在提高应用程序的效率，使其可以更快地执行任务。

为什么需要并发编程模型？

现代计算机硬件通常都有多核处理器，这意味着计算机可以同时执行多个任务。如果我们的应用程序只能利用单核处理器，那么它的效率会非常低下。通过使用并发编程模型，我们可以让应用程序充分利用计算机的多核处理能力，提高应用程序的效率。

使用C语言实现并发编程模型

在C语言中，可以使用多线程来实现并发编程模型。多线程是指一个进程中有多个线程同时运行，每个线程有自己的执行路径。多线程可以在同一时间执行多个任务，这样可以提高应用程序的效率。

线程的创建

在C语言中，我们可以使用pthread库来创建线程。pthread库提供了创建线程的函数pthread_create()，该函数的原型如下：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

这个函数的四个参数分别是：

• thread：一个指针，用来存储新线程的ID。
• attr：一个指向线程属性的指针，NULL表示使用默认的线程属性。
• start_routine：指向线程执行的函数，该函数必须是可执行的。
• arg：线程执行函数的参数。

示例一：多线程排序

下面是一个使用多线程实现排序的示例：

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

#define N 1000

int nums[N];

void *sort(void *arg) {
    int i, j, temp;
    for (i = 0; i < N - 1; i++) {
        for (j = i + 1; j < N; j++) {
            if (nums[i] > nums[j]) {
                temp = nums[i];
                nums[i] = nums[j];
                nums[j] = temp;
            }
        }
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    // 初始化数组
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        nums[i] = N - i;
    }

    pthread_create(&thread1, NULL, sort, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, sort, NULL);

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

    // 输出排序后的数组
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        printf("%d ", nums[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了两个线程来对数组进行排序。我们将数组分成了两个部分，每个线程负责对其中一部分进行排序。由于两个线程可以同时执行，因此我们可以更快地完成排序。

示例二：多线程并发下载

下面是一个使用多线程实现并发下载的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <curl/curl.h>
#include <pthread.h>

#define NUM_THREADS 4

struct download_info {
    char url[256];
    char filename[256];
    long from;
    long to;
};

void *download(void *arg) {
    struct download_info *info = (struct download_info *) arg;
    CURL *curl;
    FILE *fp;

    curl = curl_easy_init();
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, info->url);

    char range[256];
    snprintf(range, 256, "%ld-%ld", info->from, info->to);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_RANGE, range);

    fp = fopen(info->filename, "wb");
    if (fp == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to open file %s\n", info->filename);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, fp);

    CURLcode result = curl_easy_perform(curl);

    curl_easy_cleanup(curl);
    fclose(fp);

    if (result != CURLE_OK) {
        printf("Failed to download %s\n", info->url);
    } else {
        printf("Downloaded %ld bytes from %s\n", info->to - info->from + 1, info->url);
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc < 3) {
        printf("Usage: %s [URL] [filename]\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    char *url = argv[1];
    char *filename = argv[2];

    // 获取文件大小
    CURL *curl = curl_easy_init();
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, url);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_NOBODY, 1);
    CURLcode res = curl_easy_perform(curl);
    long filesize = 0;
    curl_easy_getinfo(curl, CURLINFO_CONTENT_LENGTH_DOWNLOAD, &filesize);
    curl_easy_cleanup(curl);

    // 创建下载线程
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    struct download_info info[NUM_THREADS];

    long offset = 0;
    long chunk = filesize / NUM_THREADS;
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        snprintf(info[i].url, 256, "%s", url);
        snprintf(info[i].filename, 256, "%s.%d", filename, i);

        info[i].from = offset;
        if (i == NUM_THREADS - 1) {
            info[i].to = filesize - 1;
        } else {
            info[i].to = info[i].from + chunk - 1;
        }

        pthread_create(&threads[i], NULL, download, &info[i]);
        offset += chunk;
    }

    // 等待所有下载线程完成
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    // 将下载的文件合并
    FILE *fp = fopen(filename, "wb");
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
        char buf[1024];
        snprintf(buf, 1024, "%s.%d", filename, i);
        FILE *fp_part = fopen(buf, "rb");
        if (fp_part == NULL) {
            fprintf(stderr, "Failed to open file %s\n", buf);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        while (!feof(fp_part)) {
            size_t n = fread(buf, 1, 1024, fp_part);
            fwrite(buf, 1, n, fp);
        }
        fclose(fp_part);
        remove(buf);
    }
    fclose(fp);

    printf("Download completed: %s\n", filename);
    return 0;
}

在这个示例中，我们使用了多个线程来下载一个文件。我们将文件分成了多个部分，每个线程负责下载其中的一部分。由于多个线程可以同时执行，因此我们可以更快地完成下载。最后，我们将下载的文件合并。

总结

通过上述示例，我们可以看到，使用C语言实现并发编程模型并不难，只要掌握了线程的相关知识，就可以轻松地利用多核处理器提高应用程序的效率。同时，需要注意并发编程模型可能导致资源争用等问题，需要进行合理的资源管理和锁机制设计。