在一个C程序中，使用两个并行线程将一个数字相加，然后减去回0，我得到了一个非零的答案。这似乎不可能

Question

所讨论的计划是：

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

#define NUM_LOOPS 500000000
long long sum = 0;

/* Add or subtract the offset specified in arg from the sum NUM_LOOPS times */
void* counting_function(void* arg) {
    int offset = *(int*)arg;
    for (int i = 0; i < NUM_LOOPS; i++) {
        sum += offset;
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main(void) {
    // Spawn the threads
    pthread_t id1;
    int offset1 = 1;
    pthread_create(&id1, NULL, counting_function, &offset1);

    pthread_t id2;
    int offset2 = -1;
    pthread_create(&id2, NULL, counting_function, &offset2);

    // Wait for threads to finish
    pthread_join(id1, NULL);
    pthread_join(id2, NULL);

    printf("Sum = %lld\n", sum);

    return 0;
}

我有一个全局变量long long sum=0和一个用于NUM_LOOPS500000000的宏，它指定要加起来的数字。

函数void*counting\u函数（void*arg）只是将偏移量添加到sumNUM\u循环次数。

如果我在没有线程的情况下运行它，但像这样一个接一个地调用函数

// sum is 0
counting_function(1);
// sum is now equal to 500000000
countnig_function(-1); 
// sum is now equal to 0

我会得到正确答案0

但当使用线程时，我会得到一个非零的答案，每次都不同。

gcc -Wall -Wextra -Werror -std=c99 -pthread count.c && ./a.out

Sum = 40098157

./a.out
Sum = 303575386

在我看来，无论你从一个数字中加或减1的顺序如何，如果加和减的总数是相同的，那么答案应该总是0。

例如，假设NUM\u LOOPS=10。第一个线程在一行中加1三次，然后第二个线程在一行中减去1两次。现在总和等于1。然后第一个线程进行剩余的七次加法，因此总和等于8，然后第二个线程减去最后八次。总和为0。

你怎么可能得到一个不同于0的答案？答案不同于0意味着两个线程中的一个在NUM_LOOPS中增加或减少的数量超过了指定的数量。

这个问题可以通过在计数函数内部的临界部分sum=偏移量中添加互斥来解决，但我似乎无法弄清楚为什么没有互斥锁它就无法工作。

我错过了什么？




Answer 1

恭喜您尝试它！您已经发现尝试从两个线程更新相同的变量是有错误的。

您可以尝试一些解决方案。如果可能，您应该使用列表中较高的解决方案。

• 为每个线程指定一个单独的计数器，并在线程返回时将计数相加
• 将计数设为原子变量。使用原子的fetch\U add\U explicit（）递增和递减。在这种情况下，您可以使用memory\u order\u relaxed，因为更新的顺序无关紧要。在今天的大多数处理器上，它编译为一条无锁指令。如果必须确保在读取之前完成所有写入操作，则应改用获取释放内存顺序
• 使用接收副本更新模式，在该模式中，他们尝试更新他们看到的共享日期的最后一个值，如果另一个线程在其间更改了该值，他们将重试。（此处非常不合适，但在许多其他情况下效果很好）
• 让每个线程将其更改插入到无等待列表中，读取器线程将根据这些更改重建状态。（同样，这里有点荒谬，但总的来说值得考虑。）
• 使用锁甚至读写器锁包装要更新的数据。（此处不需要，但有些资源需要。）

Answer 2

pthread库将并行性硬塞进为单线程操作设计的语言中。我建议研究内存模型以及它们如何应用于多线程编程。

看看这里的线程和数据竞争部分。这里有一个与您的问题相关的示例。

这篇维基百科的文章有一个很好的章节介绍了种族状况。

有趣的是，这个问题早于pthread。您可以在带有信号处理程序的“单线程”C程序中观察到相同的行为，其中主程序和信号处理程序都在更新相同的变量。

Answer 3

当线程添加到sum时，它会分多个步骤执行：将sum加载到寄存器中。向寄存器添加值。将寄存器中的值存储到sum中。（这可能是两个步骤，例如在一个步骤中加载和添加，在另一个步骤中存储。）如果在此期间发生线程切换，您可以得到交错：线程1将sum加载到寄存器中，例如值400，并将1添加到寄存器中，得到401。有一个开关，线程2将仍然值为400的sum加载到寄存器中并添加−1，得到399。然后它存储它，所以sum是399。后来，线程1存储401。

因此，减量到399丢失；它被401的延迟存储覆盖。

当然，在切换回线程1之前，线程2可能会运行一段时间，因此线程2可能会有相当多的减量，这些减量会被线程1的延迟存储擦除。

可能发生的是随机选择这种交织，有效地从一个或另一个线程中擦除各种数量的加法。其中许多会取消——加法的一些擦除会取消减法的一些擦除，并且多次运行的结果将显示以零为中心的总和分布（如果一个线程先于另一个线程启动会扭曲分布，则可能接近于零）。

这只是多线程可能出现的一个问题。特别是由于sum是long-long，因此它可以在一些目标体系结构中使用多个机器字来实现，因此必须分多个步骤加载和存储。然后，多线程可能导致一个线程存储新值的一部分，另一个线程进入并修改sum，第一个线程完成对另一部分的存储。这可能产生比仅仅缺少增量或减量更具灾难性的结果；它会更严重地破坏sum的值。为了避免这种情况，您需要使用原子对象。