为什么这个多线程代码段中存在竞争条件答案

【问题标题】：why is there a race condition in this multithreading snippet为什么这个多线程代码段中存在竞争条件
【发布时间】：2022-01-12 20:35:23
【问题描述】：

我在 c++ 中使用多线程编写了这段代码，但我不确定为什么会得到我得到的输出。

void Fun(int* var) {
    int myID;
    myID = *var;
    std::cout << "Thread ID: " << myID << std::endl;

}

int main()
{
    using ThreadVector = std::vector<std::thread>;
    ThreadVector tv;
    std::cout << std::thread::hardware_concurrency() << std::endl;
    for (int i = 0; i < 3  ; ++i)
    {
        auto th = std::thread(&Fun, &i);
        tv.push_back(std::move(th));
    }
    for (auto& elem : tv)
    {
        elem.join();
    }

}

我想知道 i 变量是否存在竞争条件，如果存在，它是如何交错的？我试图编译它，我不断得到线程 ID 打印输出为 3，但我很惊讶，因为我认为变量必须是全局的才能被各种新线程访问？

这就是我认为会发生的事情：线程 1 被创建，Fun 开始在线程 1 中运行，myid = 0，主线程继续运行并递增 i，创建第二个线程并且 myid 为 myid=1 ... 等等。因此打印输出将是 myID 以 i/e 1、2、3 为增量

我知道我可以用std::lock_guard 解决这个问题，但我只是想知道导致i 变量出现这种竞争条件的交错（加载、增量、存储）是如何发生的。

感谢您的帮助！

【问题讨论】：

myID = *var; 和 for 循环中的 ++i 之间存在竞争。 “Fun 开始在线程 1 中运行，myid = 0，主线程继续运行并递增 i” 没有理由认为它会按照这个顺序发生，这就是竞争条件。
为什么不考虑循环结束后所有线程启动的可能性？最坏的情况是i 的作用域完成，线程访问终止i。只需按值传递i，而不是其地址&i。
i 的线程和范围之间不是也有竞争吗？
Fun 开始在线程 1 中运行，myid = 0，主线程继续运行并递增 i，创建第二个线程并且 myid 为 myid=1... 等等on -- 单线程思维会导致多线程程序的消亡。

标签： c++ multithreading cpu

【解决方案1】：

我想知道 i 变量是否存在竞争条件

是的，绝对是。父线程写入i，这是一个非atomic 变量，子线程读取它，没有任何干预同步。这就是 C++ 中数据竞争的确切定义。

如果是这样，它是如何交错的？

C++ 中的数据竞争会导致未定义的行为，您可能观察到的任何行为都不必通过交错来解释。

我尝试编译它，但我经常将线程 ID 打印输出为 3，但我很惊讶，因为我认为该变量必须是全局变量才能被各种新线程访问？

不，它不必是全球性的。如果以某种方式将指针或对此类变量的引用传递给线程，则线程可以访问其他线程的本地变量。

这就是我认为会发生的事情：线程 1 被创建，Fun 开始在线程 1 中运行，myid = 0，主线程继续运行并递增 i，创建第二个线程并且 myid 为 myid=1 ... 等等。因此打印输出将是 myID 以 i/e 1、2、3 为增量

好吧，您的程序中根本没有任何东西会强制这些事件按该顺序发生（或变得可观察），因此实际上没有任何依据可以期望它们会发生。例如，完全有可能三个线程都启动了，但是直到main 中的循环完成之后才真正运行，此时i 的值为3。（或者更确切地说，i 曾经所在的内存，因为它现在超出了范围并且它的生命周期已经结束 - 这是一个单独的错误，你不能阻止这种情况的发生。）

【讨论】：

【解决方案2】：

这是不会出现数据竞争的代码版本：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

// since `id` is passed by value, each thread will work on its own copy and no
// data race is possible
void fun(int id) { std::cout << "thread id: " << id << "\n"; }

int main() {
  std::vector<std::thread> threads;

  for (auto id = 0; id < 3; ++id) {
    threads.emplace_back(fun, id);
  }

  for (auto& thread : threads) {
    thread.join();
  }
}

由于每个线程都接收到变量 id 的副本，因此不存在竞争（除了由于不同步 std::cout 导致的打乱输出，但我认为这不是本次讨论的一部分）。

变量在多个线程中的使用不需要是全局的。事实上，全局变量常常使编写多线程代码变得更加困难，甚至几乎不可能，因为不能保证每次读取和写入都会适当地同步。

【讨论】：