使用全局变量的线程问题答案

【问题标题】：Thread issue using global variable使用全局变量的线程问题
【发布时间】：2018-05-08 14:31:54
【问题描述】：

我正在研究 Linux 和操作系统中使用的线程。我正在做一个小运动。目标是对一个全局变量的值求和，最后查看结果。当我看到最终结果时，我的心就炸了。代码如下

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>

int i = 5;

void *sum(int *info);

void *sum(int *info)
{
    //int *calc = info (what happened?)
    int calc = info;

    i = i + calc;

    return NULL;
}

int main()
{
    int rc = 0,status;
    int x = 5;

    pthread_t thread;

    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;

    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);

    rc = pthread_create(&thread, &attr, &sum, (void*)x);
    if (rc) 
    {              
        printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);
        exit(-1);
    }

    rc = pthread_join(thread, (void **) &status);
    if (rc) 
    {
        printf("ERROR; return code from pthread_join() is %d\n", rc);
        exit(-1);
    }

    printf("FINAL:\nValue of i = %d\n",i);
    pthread_attr_destroy(&attr);
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

如果我将变量 calc 作为 int *cal 放入 sum 函数中，则 i 的最终值为 25（不是预期值）。但是，如果我将其设为 int calc，则 i 最终值为 10（我在本练习中的预期值）。我不明白当我将变量 calc 设置为 int *calc 时，我的值怎么会是 25。

【问题讨论】：

标签： c linux multithreading pthreads

【解决方案1】：

阅读一些tutorial about pthreads。在访问和修改多个threads 中的全局数据时，您不能期望重现行为（没有与synchronization 相关的额外编码预防措施）。 AFAIU 您的代码表现出一些棘手的undefined behavior，而您应该是scared（在您的情况下，这可能只是未指定的行为）。要解释观察到的具体行为，您需要深入研究实现细节（而且您没有时间：研究生成的汇编代码、特定硬件的行为等...）。

另外（因为info 是一个指针指向int）

int calc = info;

没有多大意义（我猜你打错了）。在某些系统上（比如我的运行 Linux 的 x86-64），指针比int 宽（所以calc 丢失了info 的一半位）。在其他（罕见的）系统上，它的尺寸可能更小。有时（运行 Linux 的 i686）它可能具有相同的大小。如果要将指针强制转换为整数值并返回，则应该考虑 <stdint.h> 中的 intptr_t。

实际上，您应该使用mutex 保护对该全局数据的访问（在i 内，可能通过指针访问），或者在C11 中使用atomic 操作，因为该数据由多个并发线程使用。

所以你可以像这样声明一个全局互斥体

 pthread_mutext_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

（或使用pthread_mutex_init）然后在您的sum 中编码

pthread_mutex_lock(&mtx);
i = i + calc;
pthread_mutex_unlock(&mtx);

（另见pthread_mutex_lock 和pthread_mutex_lock(3p)）。当然你也应该在你的main中编码。

锁定一个互斥体有点昂贵（通常是加法的几十倍），即使在它被解锁的情况下也是如此。如果您可以在 C11 中编码，您可能会考虑原子操作，因为您处理的是整数。您将声明 atomic_int i; 并在其上使用 atomic_load 和 atomic_fetch_add。

如果您好奇，另请参阅 pthreads(7) 和 futex(7)。

多线程编程真的很难（对所有人来说）。您不能期望行为通常是可重现的，并且您的代码显然可以按预期运行并且仍然非常错误（并且在某些不同的系统上会以不同的方式工作）。另请阅读memory models、CPU cache、cache coherence、concurrent computing...

考虑使用 GCC 线程清理程序 instrumentation options 和/或 valgrind 的 helgrind

【讨论】：

即使它看起来工作，它仍然是非常错误的。
谢谢你！你帮了我很多！我再研究一下同步错了还是没有同步？

【解决方案2】：

问题与线程或全局变量无关，与 C 的指针算法有关。

您可以使用以下代码获得完全相同的结果：

int main()
{
    int i = 5;
    int *j = 5;
    i = i + j;
    printf("%d\n", i); // this is 25
}

这里发生的情况是，您将指针 j 分配给值 5，并将该指针“加 5”。给一个指针加 5 相当于在内存中增加了足够的空间来容纳这个指针指向的 5 个对象。在这种情况下，sizeof(int) 为 4，因此您实际上是在添加 4*5，即 20。因此，结果为 25，即 5 + 4*5 = 25。

另一个警告，由于 sizeof(int) 取决于机器，您的结果可能会有所不同。

让我再举一个例子来说明这一点：

int main()
{
    int i = 5;
    uint64_t *j = 5;
    i = i + j;
    printf("%d\n", i); // result is 45
}

因为 sizeof(uint64_t) 是 8，这相当于在原来的 5 上加上 5*8，所以结果是 5 + 5*8 = 45。

这段代码演示了类型转换的许多问题。 “x”首先声明为“int”，转换为通用指针“void*”，然后隐式转换为“int*”，然后再转换回“int”。正如您在此处所展示的那样，这些类型的铸造肯定会在脚上开枪。

【讨论】：