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wzjs 2025/8/4 14:18:58

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一、多线程对共享变量的非互斥访问

我们将要做的：构造多线程共享变量竞争的案例，并分析现象发生的原因，进而思考解决方式。

案例源代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int num=30,count=10;void *sub1(void *arg) {int i = 0,tmp;for (; i <count; i++){tmp=num-1;usleep(13);num=tmp;printf("线程1 num减1后值为: %d\n",num);}return ((void *)0);
}
void *sub2(void *arg){int i=0,tmp;for(;i<count;i++){tmp=num-1;usleep(31);num=tmp;printf("线程2 num减1后值为: %d\n",num);}return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {pthread_t tid1,tid2; // 两个子线程的idint err,i=0,tmp;void *tret; // 线程返回值err=pthread_create(&tid1,NULL,sub1,NULL);if(err!=0){printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));exit(-1);}err=pthread_create(&tid2,NULL,sub2,NULL);if(err!=0){printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));exit(-1);}for(;i<count;i++){tmp=num-1;usleep(5);num=tmp;printf("main num减1后值为: %d\n",num);}printf("两个线程运行结束\n");err=pthread_join(tid1,&tret);if(err!=0){printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));exit(-1);}printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);err=pthread_join(tid2,&tret);if(err!=0){printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));exit(-1);}printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);return 0;
}

🧠 1. 程序功能概述

创建了两个线程 sub1 和 sub2，以及主线程三者共同对一个全局变量 num 执行减 1 操作，共减去 count * 3 = 30 次。

初始值：

int num = 30, count = 10;

所以理论上最终 num == 0，但实际上并不一定！

⚠️ 2. 存在的核心问题：数据竞争（Race Condition）

❗ 对 `num--` 是分三步执行的：

tmp = num - 1;
usleep(x);
num = tmp;

这个过程不是原子操作，多个线程可能“交叉”访问这个变量，造成竞态条件（Race Condition）。

中间插入 usleep() 只是为了放大并发写入带来的冲突概率，模拟真实环境下的并发问题。

举例说明：

假设此时 num = 10，两个线程同时读到：

线程1：tmp1 = 10 - 1 = 9，睡眠
线程2：tmp2 = 10 - 1 = 9，睡眠

然后：

线程1醒来执行 num = 9
线程2醒来执行 num = 9 （覆盖了线程1的操作）

🔴 这样 num 实际只减少了一次，而我们期望它减少两次（一个线程分别减少一次）！

🔍 3. 运行效果举例（输出可能类似）：

线程1 num减1后值为: 29
线程2 num减1后值为: 28
main num减1后值为: 27
线程1 num减1后值为: 27  ←❗ 重复了
main num减1后值为: 26
线程2 num减1后值为: 26  ←❗ 再次重复

最终 num 的值可能 不是 0，甚至是更高。原因就是上面说的：很多次减法操作失效了。

✅4. 如何解决？使用线程同步机制：互斥锁 `pthread_mutex_t`

例如，添加全局互斥锁：

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

将每个对 num 的访问部分用锁保护：

pthread_mutex_lock(&lock);
tmp = num - 1;
usleep(13); // 保留你原来的模拟处理
num = tmp;
pthread_mutex_unlock(&lock);

🔒 这样确保每次只有一个线程在访问和修改 num。

🛠️ 5. 修改后关键片段示例（以 `sub1` 为例）

void *sub1(void *arg) {int i = 0, tmp;for (; i < count; i++) {pthread_mutex_lock(&lock);tmp = num - 1;usleep(13);num = tmp;printf("线程1 num减1后值为: %d\n", num);pthread_mutex_unlock(&lock);}return ((void *)0);
}

主线程、sub2 中也要加锁。

🔚 6. 总结

问题	说明
数据竞争	多线程访问全局变量未加锁
后果	`num` 最终值不确定，减法丢失
解决	使用 `pthread_mutex` 互斥锁
调试	建议加 `-fsanitize=thread` 或使用 `valgrind --tool=helgrind` 检查

二、并发线程同步与互斥

本次案例是在前一个案例「多线程对共享变量的非互斥访问」的基础上进行了修复和优化，引入了 pthread_mutex 互斥锁机制，实现了 多线程对共享变量的互斥访问控制，有效解决了数据竞争问题。

案例源代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int num=30, count=10;
pthread_mutex_t mylock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *sub1(void *arg) {int i = 0,tmp;for (; i<count; i++){pthread_mutex_lock(&mylock);   // 上锁		tmp=num-1;usleep(13);num=tmp;pthread_mutex_unlock(&mylock); // 解锁	printf("线程1  第「%d」次num减1后值为: %d\n",i+1,num);}return ((void *)0);
}
void *sub2(void *arg){int i=0,tmp;for(;i<count;i++){pthread_mutex_lock(&mylock); // 上锁tmp=num-1;usleep(31);num=tmp;pthread_mutex_unlock(&mylock); // 解锁printf("线程2  第「%d」次num减1后值为: %d\n",i+1,num);}return ((void *)0);
}
int main(int argc, char** argv) {pthread_t tid1,tid2;int err,i=0,tmp;void *tret; // 线程返回值err=pthread_create(&tid1,NULL,sub1,NULL);if(err!=0){printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));exit(-1);}err=pthread_create(&tid2,NULL,sub2,NULL);if(err!=0){printf("pthread_create error:%s\n",strerror(err));exit(-1);}for(;i<count;i++){pthread_mutex_lock(&mylock); // 主线程上锁tmp=num-1;usleep(5); // num=tmp;		pthread_mutex_unlock(&mylock); // 主线程释放锁printf("主线程 第「%d」次num减1后值为: %d\n",i+1,num);}printf("两个线程运行结束\n");err=pthread_join(tid1,&tret);if(err!=0){printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));exit(-1);}printf("thread 1 exit code %d\n",(int)tret);err=pthread_join(tid2,&tret);if(err!=0){printf("can not join with thread1:%s\n",strerror(err));exit(-1);}printf("thread 2 exit code %d\n",(int)tret);return 0;
}

下面从结构和功能两个维度逐段讲解这段代码。

✅ 1. 程序功能概述

多线程同时对一个共享变量 num 进行减 1 操作，为避免多个线程同时访问导致的数据错误，使用 互斥锁 pthread_mutex_t 实现同步，确保线程间的安全访问。

🔧 2. 头文件说明

#include <stdio.h>      // printf()
#include <stdlib.h>     // exit()
#include <pthread.h>    // pthread_create, pthread_join, pthread_mutex_*
#include <unistd.h>     // usleep()
#include <string.h>     // strerror()

✅ 上述头文件提供了线程创建、同步、休眠和错误信息处理等功能。

🔐 3. 全局变量及互斥锁

int num=30, count=10;
pthread_mutex_t mylock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

num: 被所有线程共享的变量，初始为 30。
count: 每个线程循环次数。
mylock: 全局互斥锁，用于防止多个线程同时修改 num。

🧵 4. 线程函数 sub1 和 sub2

🔹 `sub1` 函数

void *sub1(void *arg) {int i = 0, tmp;for (; i < count; i++) {pthread_mutex_lock(&mylock);      // 上锁tmp = num - 1;usleep(13);                       // 模拟计算耗时num = tmp;pthread_mutex_unlock(&mylock);    // 解锁printf("线程1 第【%d】num减1后值为: %d\n", i, num);}return ((void *)0);
}

🔹 `sub2` 函数

void *sub2(void *arg) {int i = 0, tmp;for (; i < count; i++) {pthread_mutex_lock(&mylock);tmp = num - 1;usleep(31);num = tmp;pthread_mutex_unlock(&mylock);printf("线程2 第【%d】num减1后值为: %d\n", i, num);}return ((void *)0);
}

🟡 共同点：

都对共享变量 num 执行减 1 操作。
每次操作前后都加了互斥锁，保证了对 num 的访问是互斥的。

🟡 不同点：

睡眠时间不同，用于模拟线程调度差异，放大并发现象。

👑 5. 主线程 `main` 函数

1️⃣ 创建线程

pthread_create(&tid1, NULL, sub1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, sub2, NULL);

启动两个子线程 sub1 和 sub2，它们会与主线程并发执行。

2️⃣ 主线程也参与对 `num` 的操作

for (; i < count; i++) {pthread_mutex_lock(&mylock);tmp = num - 1;usleep(5);num = tmp;pthread_mutex_unlock(&mylock);printf("main 第【%d】num减1后值为: %d\n", i, num);
}

💡 主线程和子线程一样，每次操作都加锁保护，保证不会同时操作 num，从而避免数据冲突。

3️⃣ 等待线程结束并获取退出状态

pthread_join(tid1, &tret);
pthread_join(tid2, &tret);

使用 pthread_join() 等待线程结束。
线程的返回值是 NULL（即 return ((void*)0)），打印时结果是 0。

🧪 6. 运行效果示例（输出节选）

主线程 第「1」次num减1后值为: 29
主线程 第「2」次num减1后值为: 28
主线程 第「3」次num减1后值为: 27
线程1  第「1」次num减1后值为: 26
线程1  第「2」次num减1后值为: 25
...

最终：

两个线程运行结束
thread 1 exit code 0
thread 2 exit code 0

🔒 7. 为什么这次没有竞态条件？

因为你加入了 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 对每一次对 num 的读-改-写操作进行了加锁保护，确保每次修改都是互斥的、完整的。

📌 八、总结

项目	说明
多线程创建	使用 `pthread_create` 创建两个线程
共享资源	所有线程和主线程共享变量 `num`
数据保护	使用 `pthread_mutex` 实现访问同步，防止竞态
同步结束	使用 `pthread_join` 等待子线程结束
延时模拟	使用 `usleep()` 模拟并发中的调度差异