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    • C语言线程安全实现

线程安全

所谓线程安全不是指线程的安全，而是指内存的安全。线程是由进程所承载，所有线程均可访问进程的上下文，意味着所有线程均可访问在进程中的内存空间，这也是线程之间造成问题的潜在原因。当多个线程读取同一片内存空间（变量、对象等）时，不会引起线程安全问题。但是当多个线程对同一片内存空间进行写操作时，就需要考虑内存安全问题。

线程不安全例子

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;
int counter = 0;

void func()
{
    for (int i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));	// 休眠1ms
        ++counter;		// 写入操作：counter自加
    }
    
}

int main()
{
    std::thread t1 = std::thread(func);
    std::thread t2 = std::thread(func);

    t1.join();
    t2.join();

    cout << "counter: " << counter << endl;

    return 0;
}

上述代码，预期结果是counter输出20000，因为两个线程均会进入循环，counter各自自加10000次。实际输出效果如下：

counter: 19989

counter: 19992

两次输出结果均不相同，且均不等于预期的20000。这就线程不安全导致的BUG。

线程锁

为了解决上述线程安全问题，就需要线程锁，C和C++最常用的锁包括互斥锁、条件锁、自旋锁和读写锁等。其中最基本的是互斥锁，其他的锁都是基于互斥锁实现。所以锁的功能越强大，性能就越低。

互斥锁

互斥锁(mutex)，也成为互斥量，就是保证多线程共享同一个互斥量，然后让线程之间。当一个线程对共享数据操作时，利用互斥锁进行上锁，其他线程在尝试再次上锁时，发现已上锁就会睡眠等待。等到互斥锁解开，才能再次上锁进而继续操作，从而保护共享数据的安全。下面利用互斥锁，解决上述BUG。

C++线程安全实现

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

int counter = 0;
std::mutex mutex;

void func()
{
    for (int i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        mutex.lock();
        ++counter;
        mutex.unlock();
    }
    
}

int main()
{
    std::thread t1 = std::thread(func);
    std::thread t2 = std::thread(func);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "counter: " << counter << std::endl;

    return 0;
}

输出结果如下：

counter: 20000

counter: 20000

两次运行输出均为20000，与预期结果相同，证明加入互斥锁后解决线程安全问题。

C语言线程安全实现

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void *func(void *val)
{
    for (int i = 0; i < 10000; ++i)
    {
        usleep(1 * 1000);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        ++counter;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_t t1;
    pthread_t t2;

    pthread_create(&t1, NULL, func, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, func, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("counter: %d\n", counter);

    return 0;
}

输出如下：

counter: 20000

输出也是预期的20000。