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掌握操作系统线程，这些实战习题帮你轻松入门

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在操作系统学习中，线程是其中一个非常重要的概念。线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，它是进程中的一个实体，被系统独立调度和分派的基本单位。掌握线程对于理解操作系统的工作原理至关重要。以下是一些实战习题，帮助你轻松入门操作系统线程。

实战习题一：线程创建与终止

1.1 创建线程

问题描述： 编写一个简单的C++程序，使用POSIX线程（pthread）创建一个线程，并让主线程等待该线程执行完毕。

代码示例：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

void* threadFunction(void* arg) {
    std::cout << "Thread is running..." << std::endl;
    sleep(2); // 模拟线程执行任务
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, nullptr, threadFunction, nullptr);
    if (ret != 0) {
        std::cerr << "Failed to create thread: " << ret << std::endl;
        return 1;
    }
    pthread_join(thread_id, nullptr); // 等待线程结束
    std::cout << "Thread finished." << std::endl;
    return 0;
}

1.2 终止线程

问题描述： 在上述程序中，添加一个函数来安全地终止线程。

代码示例：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

volatile sig_atomic_t keepRunning = 1;

void* threadFunction(void* arg) {
    while (keepRunning) {
        std::cout << "Thread is running..." << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

void stopThread(pthread_t thread_id) {
    keepRunning = 0;
    pthread_join(thread_id, nullptr);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    int ret = pthread_create(&thread_id, nullptr, threadFunction, nullptr);
    if (ret != 0) {
        std::cerr << "Failed to create thread: " << ret << std::endl;
        return 1;
    }
    sleep(5); // 运行一段时间后停止线程
    stopThread(thread_id);
    std::cout << "Thread finished." << std::endl;
    return 0;
}

实战习题二：线程同步

2.1 使用互斥锁

问题描述： 编写一个程序，使用互斥锁（mutex）来保护共享资源，防止多个线程同时访问。

代码示例：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;

void* threadFunction(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        std::cout << "Thread " << (long)arg << ": " << i << std::endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);
        pthread_create(&threads[i], nullptr, threadFunction, (void*)i);
    }
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        pthread_join(threads[i], nullptr);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
    }
    return 0;
}

2.2 条件变量

问题描述： 使用条件变量实现一个生产者-消费者模型。

代码示例：

#include <pthread.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int buffer[10] = {0};
int in = 0, out = 0;

void* producer(void* arg) {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (buffer[in] != 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        buffer[in] = 1;
        in = (in + 1) % 10;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

void* consumer(void* arg) {
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (buffer[out] == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        buffer[out] = 0;
        out = (out + 1) % 10;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;
    pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);
    pthread_create(&producer_thread, nullptr, producer, nullptr);
    pthread_create(&consumer_thread, nullptr, consumer, nullptr);
    pthread_join(producer_thread, nullptr);
    pthread_join(consumer_thread, nullptr);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

通过以上实战习题，你可以更好地理解操作系统线程的概念和应用。在实际开发中，线程的使用非常广泛，掌握线程编程对于提高程序性能和并发处理能力至关重要。希望这些习题能够帮助你入门操作系统线程编程。

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