Pthread 意外输出但结果良好

Question

我是 c 上 pthreads 的新手，所以我只是想用两个线程做一些基本程序，将整数递增直到等于 10000，然后每个线程写入它增加整数的时间，以及principale 线程写入最终结果，在我的输出中最终结果很好（始终等于 10000）但是每个线程的增量时间是错误的，有人可以向我解释为什么会这样吗？

我的代码：

//Threads in C

/* Includes */
#include <unistd.h>     /* Symbolic Constants */
#include <sys/types.h>  /* Primitive System Data Types */ 
#include <errno.h>      /* Errors */
#include <stdio.h>      /* Input/Output */
#include <stdlib.h>     /* General Utilities */
#include <pthread.h>    /* POSIX Threads */
#include <string.h>     /* String handling */

void *T1 (void * par){
    int * cp = (int*)(par);
    printf("Thread 1 begin, counter equals %d \n",*cp);

    int f=0; 
    while((*cp)< 10000) {++(*cp);
                        f++;}
    printf("Thread 1 finished, i've incremented %d times \n",f);
    pthread_exit(NULL);
}
void *T2 (void * par){
    int * cp = (int*)(par);
    printf("Thread 2 begin, counter equals %d \n",*cp);

    int j=0; 
    while((*cp)< 10000) {++(*cp);
                        j++;}
    printf("Thread 2 finished, i've incremented %d times \n",j);
    pthread_exit(NULL);
}

int main(){
    pthread_t idT1, idT2;
    int counter = 0;
    if (pthread_create(&idT1, NULL, T1, &counter) != 0)
        printf("erreur creation");
    if (pthread_create(&idT2, NULL, T2, &counter) != 0)
        printf("erreur creation");
    pthread_join(idT1, NULL);
    pthread_join(idT2, NULL);
    printf(" Total = %d",counter);
    return 0;
}

示例输出：

Thread 1 begin, counter equals 0 
Thread 2 begin, counter equals 0 
Thread 1 finished, i've incremented 10000 times 
Thread 2 finished, i've incremented 8602 times 
 Total = 10000

Answer 1

当同时使用2个线程时，一个线程可以暂停，内核随时切换到另一个线程，我们无法预测2个线程之间的代码执行顺序。 为简单起见，我将向您展示单核 CPU 可能发生的场景。

在 x86 中，计数器会增加一些指令，如下所示： ++(*cp);

movl    (0x80123468), %ecx
addl    $1, %ecx
movl    %ecx, (0x80123468)

&计数器 = (0x80123468)

想象线程 1 进入这段代码，计数器将加一。第一条指令是将计数器的当前值（假设它是 200）加载到寄存器 eax 中。因此，线程 1 的 eax=200。然后第二条指令将 1 添加到寄存器；因此eax = 201。

现在发生了一些事情，使内核停止线程 1 操作（例如中断），然后将上下文切换到线程 2 运行，并进入同一段代码。执行第一条指令，将counter的值加载到自己的eax中（每个线程都有自己的寄存器），Thread2-eax =200，然后执行第二条指令，Thread2-eax = 201。然后执行第三条指令到将值 201 存储到 &counter (0x80123468) 中。

之后发生上下文切换，Thread2暂停，Thread1再次运行，继续执行第三条指令，并将Thread1-eax value = 201存入&counter(0x80123468)。

如您所见，当这种情况发生时，counter 只增加 1，而 j 和 f 都增加 1（最初，我们希望它们中只有一个增加 1，而不是两者都增加） 如果计数器 = 10000，您的 while 循环会中断，因此计数器可能是正确的，计数器会增加 10000 倍（并非总是如此，我看到一个场景可能是 10001，但似乎很少发生，您可以尝试通过检查自己找出答案((*cp)< 10000) 的汇编代码）。但是我们不知道j和f增加了多少次？

Answer 2

您的程序存在数据竞争，因为您的两个线程在没有同步的情况下访问同一个共享变量，并且其中一些访问是写入。因此程序的行为是未定义的。您需要通过适当使用互斥锁、信号量或其他有效的同步机制来保护每个线程对共享计数器的访问（读取和写入）。或者，您可以使用原子类型的计数器。