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wzjs 2025/7/29 2:58:37

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C++多线程数据错乱（也称为线程安全问题或数据竞争）主要是由于多个线程在没有正确同步的情况下，并发访问和修改共享数据导致的。其主要原因包括以下几个方面:

一、线程交替执行导致的非原子操作

线程在执行时，可能会在中途被挂起，然后另一个线程修改了同一个数据，导致数据不一致。

如下代码，两个线程分别对sum进行相加操作

long sum= 0L;void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i){sum++;}
}int main()
{cout << "Before joining,sum = " << sum<< std::endl;thread t1(fun, 10000000);thread t2(fun, 10000000);t1.join();t2.join();cout << "After joining,sum = " << sum << std::endl;system("pause");return 0;
}

该程序结果为任意值，并不是我们期望的20000000。原因如下：

复合操作的分解风险‌
自增（sum++）、修改对象属性等看似单行的操作，实际由多个汇编指令构成（读取→计算→写入）。当多线程交替执行这些步骤时，可能出现部分操作结果被覆盖，导致最终数据偏差。例如两个线程同时执行sum++可能导致总增量只有1而非2。
‌无同步机制的并发写入‌
多个线程直接修改同一变量时（如共享状态标志），若未通过锁或原子操作强制串行化，后写入的数据可能覆盖前一次修改，造成逻辑错误
线程A读取 sum=0，计算 sum=1，但未写回
线程B读取 sum=0，计算 count=1，然后写回
线程A继续写回 sum=1
最终 sum 只加了1，而不是2

二、指令重排序引发的时序问

2.1 编译器优化与CPU乱序执行‌
编译器为提高性能可能调整代码顺序，而现代CPU也会对指令进行动态重排。若共享变量的访问顺序影响业务逻辑（如先更新数据再标记完成），重排序会导致其他线程读取到中间状态。

// 示例：看似顺序执行的代码可能被重排序
std::unique_lock<std::mutex> lock(mu_tex);
account_list[from].subMoney(money);
++times;  // 可能被重排到addMoney前执行
account_list[to].addMoney(money);

2.2 内存屏障缺失‌
x86架构虽保证存储顺序一致性，但在弱内存模型架构（如ARM）中，缺少内存屏障可能导致写入延迟对其他线程可见，产生“过期读取”现象

三、内存可见性与缓存一致性

‌线程私有缓存未同步‌
各线程可能将共享变量缓存在CPU核心私有缓存中，修改后未及时刷新到主内存，导致其他线程读取旧值。MESI协议虽解决硬件级缓存一致性问题，但编程时仍需显式同步。
‌volatile关键字的局限性‌
仅用volatile修饰变量能禁止编译器优化重排，但无法保证多线程操作的原子性，仍需配合锁或原子类型实现完整同步。

下图是数据在计算机中的具体位置，可以看到，数据在CPU，高速缓存（在CPU内部），内存，DMA,GPU中都有副本，我们的程序要保证这些副本的值都一致

四、同步机制使用不当

‌锁粒度不合理‌
粗粒度锁（如全局锁）会降低并发性能，细粒度锁（如分段锁）若设计不当则可能遗漏保护关键区域，两者均可能间接引发数据竞争36。
‌死锁与锁争用‌
嵌套锁使用错误会导致线程永久阻塞，而高并发下锁竞争会加剧线程切换开销，两者都会影响系统可靠性。例如：

// 错误示例：两个线程按不同顺序获取锁导致死锁
void thread1() {lock(mutexA);lock(mutexB); // 若thread2已锁B，则阻塞
}void thread2() {lock(mutexB);lock(mutexA); // 若thread1已锁A，则阻塞
}

五、解决方案的工程实践

‌原子类型‌：使用std::atomic确保单变量操作的原子性
‌内存序控制‌：通过memory_order参数精细控制内存可见性
‌无锁数据结构‌：基于CAS（Compare-And-Swap）实现高性能并发结构
‌事务内存‌：C++ STM（Software Transactional Memory, STM）提供原子代码块声明

std::atomic<int> testValue(0);void fun(size_t num)
{for (size_t i = 0; i < num; ++i)testValue.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 使用memory_order_relaxed保证性能
}int main()
{cout << "Before joining,sum = " << testValue << std::endl;thread t1(fun, 1000000);thread t2(fun, 1000000);t1.join();t2.join();cout << "After joining,sum = " << testValue << std::endl;system("pause");return 0;
}