C語言多線程協作實戰：條件變量實現生產者-消費者模型

項目背景

本示例演示如何使用 POSIX 線程庫（pthread）構建一個多線程協作程序：多個計算線程並行生成數列項（1/i），兩個消費線程分別採用超時等待與無限等待兩種策略消費數據，完成不同的累加運算。程序輸出詳細記錄了線程間的同步交互過程，是學習條件變量、互斥鎖、線程同步的優秀實戰教材。

核心同步機制

共享數據結構

• myjg[]：雙重用途數組。myjg[0] 存儲「已計算到的索引 i」，myjg[1..max] 存儲對應的 1/i 值。
• isend：標誌位，指示計算是否結束。
• eventlock (pthread_mutex_t)：保護共享數據的互斥鎖。
• myevent (pthread_cond_t)：條件變量，用於線程間發送「新數據就緒」信號。

計算線程 (mycomp)

線程池中每個線程循環執行：

1. 加鎖，檢查 isend 若結束則退出。
2. 從 myjg[0] 取得當前索引 i，若 i < max 則遞增並寫回。
3. 計算 1.0/i 存入 myjg[i]，打印進度。
4. 若達到 max，設置 isend=1，發送 pthread_cond_signal 通知一個等待線程，隨後 sleep(2) 後退出。
5. 每計算 MAXTDS（線程池大小）個數，發送 pthread_cond_broadcast 喚醒所有消費線程，並 sleep(3) 模擬間歇。

消費線程 1：超時等待累加 (myprint1)

採用 pthread_cond_timedwait，設置 1 秒超時：

• 超時返回 ETIMEDOUT 時打印 "time out"，繼續下一輪等待，不阻塞。
• 收到信號 (rc==0) 時，讀取 myjg[0] 獲取最新索引 maxi，累加 curj..maxi 區間的值，打印累加過程與結果。
• 循環直到 curj > max，輸出最終累加和。

消費線程 2：無限等待交替加減 (myprint2)

採用 pthread_cond_wait 永久阻塞等待信號：

• 收到信號後，同樣讀取 maxi，但在區間內執行 jg += fh * myjg[curi]，fh 在 1/-1 間翻轉，實現交替加減（1/1 - 1/2 + 1/3 - ...）。
• 每輪處理完打印階段性結果，直到 curi > max。

主函數流程

1. 初始化互斥鎖與條件變量。
2. 讀取用戶輸入 max（≤1000）。
3. 依次創建：消費線程1、消費線程2、5個計算線程（MAXTDS=5），每創建一個 sleep(1) 錯開啟動。
4. 主線程 sleep 等待足夠時間，最後銷毀鎖退出。

運行輸出解讀

終端輸出清晰展示了：

• 計算線程推進索引並推送數值（"1/i finished,push ..."）。
• 消費線程1 因超時頻繁打印 "time out"，收到廣播後批量累加。
• 消費線程2 每次被喚醒即處理新區間，輸出交替加減的部分和。
• 最終兩線程分別輸出「add finish」與「compute finish」總結果。

關鍵學習點

1. 條件變量必須配合互斥鎖使用：wait 原子性地釋放鎖並阻塞，被喚醒後重新獲取鎖。
2. signal vs broadcast：signal 喚醒一個線程（適合單消費者），broadcast 喚醒所有（適合多消費者或狀態變更）。
3. 超時等待避免死等：timedwait 允許線程定期檢查其他條件，增強健壯性。
4. 共享索引 myjg[0] 充當「生產進度游標」，消費者據此決定處理範圍，無需額外隊列結構。

此程序雖為教學演示，但完整呈現了生產者-消費者模型的核心同步邏輯，是掌握 C 多線程編程的寶貴案例。