在信号量初始化期间解决竞争条件

Question

我有一个必须在线程之间共享的数组，受信号量保护。我把初始化代码放在了一个可以多次调用的函数中，一个“构造函数”，如下：

#include <stdbool.h> //for bool
#include <semaphore.h>

sem_t global_mutex;
char global_array[N]; // Protected with global_mutex

struct my_struct *new_my_struct(){
    static bool is_init = false; // This will be initialized only once, right?
    if (!is_init){                         // 1
        sem_init(&global_mutex, 0, 1);     // 2
        sem_wait(&global_mutex);           // 3
        if (!is_init){                     // 4
           is_init = true;                 // 5
           ... initialize global_array ... // 6
        }
        sem_post(&global_mutex);           // 7
    }

    ... proceed on the create and return a my_struct pointer ...
}

在理想情况下，线程将从 1 运行到 7，初始化数组并退出临界区。即使另一个线程在 2 中停止，在 4 中的测试也会是错误的，并且不会覆盖数组。我没有想过如果线程卡在 1 并重新初始化信号量会发生什么，但我相信只要is_init 由第一个运行的线程设置为 true 就不会引起太大的关注！

现在，如果一个线程在 4 处停止，另一个线程从开始运行到完成，初始化并填充 global_array，则存在竞争条件。当线程停止在 4 运行时，它会重新初始化数组并删除第一个线程存储的状态。

我想知道是否有任何方法可以避免这种竞争条件（也许巧妙地使用static？）或者我是否应该将初始化代码与构造函数分开并在主线程中使用它，当没有并发。

此代码正在使用中，我还没有遇到竞争状况。但是，据我所知，这是可能的，我希望更正它。

Answer 1

如果信号量的真正用途是作为互斥体，请使用pthread_mutex_t。这些可以静态初始化，这样你的问题就会消失。

语法是

pthread_mutex_t global_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

如果您确实需要全局对象的动态初始化，请查看pthread_once。这是 POSIX 为此类任务预见的类型 (pthread_once_t) 和功能。

Answer 2

有几种方法可以进行线程安全的延迟初始化，但这不是其中之一。

pthread_once 是一种方式，使用实际上是互斥体（静态初始化）的全局互斥体来同步初始化是另一种方式。实现可以保证 static 局部变量的线程安全初始化，但不是必须的（至少，它们在 C11 之前没有，我还没有检查过）。

但是，尽管同步实际初始化，双重检查锁定不能保证在 C 或 Posix 中工作。检查一个线程中的标志是一场数据竞赛，该标志是在另一个线程中设置的，而 both 线程中没有某种同步。在初始化已经完成的常见情况下，pthread_once 的实现应该尽可能快。 如果您的实现保证函数范围静态变量的线程安全初始化，那么这也将尽其所能。除非您真的知道自己在做什么（例如，您正在为某个新系统自己实现 pthread_once），否则请使用其中一种，而不是自己尝试避免在常见情况下代价高昂的锁定。