## Thread（執行緒）的基本觀念 **執行緒（Thread）** 是程序（Process）中的一條執行路徑。 同一個程序可以包含多個執行緒，這些執行緒通常： - 共用同一份程式碼、全域變數、Heap 記憶體與開啟的檔案 - 各自擁有自己的 Stack、暫存器與程式計數器 - 可以由作業系統排程，在多核心 CPU 上真正平行執行 - 因為共享記憶體，溝通方便，但也容易產生 **Race Condition（競爭條件）** 例如： ```text Process ├── Thread 1 ├── Thread 2 └── Thread 3 ``` 執行緒切換通常比程序切換便宜，但執行緒之間若同時修改共享資料，就需要使用 Mutex、Semaphore 或其他同步機制。 --- ## C 中常見的執行緒控制介面 在 Linux/Unix 系統上，C 通常使用 POSIX Thread，也就是 `pthread` 函式庫。這些函式多半是對作業系統底層 System Call 的包裝。 ### 1. 建立執行緒：`pthread_create` ```c pthread_create(...) ``` 建立一個新的執行緒，讓它從指定的函式開始執行。 在 Linux 中，底層通常會透過 `clone()` 等機制建立與原程序共享資源的執行緒。 --- ### 2. 等待執行緒結束：`pthread_join` ```c pthread_join(thread, NULL); ``` 讓目前執行緒等待另一個執行緒結束。 這和程序中的 `wait()` 類似，可以避免主執行緒太早結束。 --- ### 3. 結束執行緒：`pthread_exit` ```c pthread_exit(NULL); ``` 結束目前執行緒。若執行緒函式直接 `return`，通常也會達到類似效果。 --- ### 4. 暫停執行：`sleep`、`nanosleep` ```c sleep(1); ``` 讓執行緒暫停指定秒數。執行緒進入睡眠狀態期間，CPU 可以排程其他執行緒執行。 更精確的介面是： ```c nanosleep(...) ``` 其底層通常會使用 Linux 的睡眠相關系統呼叫。 --- ### 5. 主動讓出 CPU：`sched_yield` ```c sched_yield(); ``` 提示排程器目前執行緒暫時讓出 CPU，讓其他可執行緒有機會執行。 --- ### 6. 執行緒同步：Mutex、Semaphore、Condition Variable 常見函式包括： ```c pthread_mutex_lock() pthread_mutex_unlock() sem_wait() sem_post() pthread_cond_wait() pthread_cond_signal() ``` 在 Linux 中，Mutex 等同步機制底層常使用 `futex` 系統呼叫，以避免多個執行緒同時修改共享資料。 --- ## 簡單範例：建立兩個執行緒並等待它們結束 以下範例建立兩個執行緒，每個執行緒印出訊息三次，並使用 `sleep()` 模擬工作。 ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> void *worker(void *arg) { int id = *(int *)arg; for (int i = 1; i <= 3; i++) { printf("Thread %d: working... %d\n", id, i); sleep(1); } printf("Thread %d: finished\n", id); return NULL; } int main(void) { pthread_t thread1, thread2; int id1 = 1; int id2 = 2; // 建立兩個執行緒 if (pthread_create(&thread1, NULL, worker, &id1) != 0) { perror("pthread_create"); return EXIT_FAILURE; } if (pthread_create(&thread2, NULL, worker, &id2) != 0) { perror("pthread_create"); return EXIT_FAILURE; } // 等待兩個執行緒完成 pthread_join(thread1, NULL); pthread_join(thread2, NULL); printf("Main thread: all workers finished\n"); return 0; } ``` ### 編譯方式 ```bash gcc thread_example.c -o thread_example -pthread ``` 執行： ```bash ./thread_example ``` 可能的輸出如下： ```text Thread 1: working... 1 Thread 2: working... 1 Thread 1: working... 2 Thread 2: working... 2 Thread 1: working... 3 Thread 2: working... 3 Thread 1: finished Thread 2: finished Main thread: all workers finished ``` 實際輸出順序可能不同，因為執行緒的執行順序由作業系統排程器決定。 --- ## 需要注意的重點 1. `pthread_create()` 成功後，新的執行緒會和主執行緒同時執行。 2. 多個執行緒共用全域變數與 Heap 資料，因此修改共享資料時需要同步。 3. `pthread_join()` 能確保主執行緒等待工作執行緒完成。 4. `pthread` 函式是函式庫 API，不一定直接等同於一個 System Call；它們通常會在底層使用 Linux 的 `clone`、`futex`、`nanosleep` 等系統呼叫。 5. 執行緒適合用於平行處理、背景工作、網路服務與提升 I/O 等待期間的 CPU 使用率。