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【操作系统（Linux）】——多线程对共享变量访问的同步与互斥

news 来源：原创 2025/9/18 19:41:00

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

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目录一、了解应用开发 1.1 扣子应用能做什么 1.2 开发流程 1.3 开发环境二、快速搭建一个AI应用 2.1 AI翻译应用介绍 2.2 设计你的应用功能 2.3 创建 AI 应用项目 2.4 编写业务逻辑（新建工作流） 2.5 搭建用户界面 2.6 效果测试 2.7 发布应…...

编程日记 2025/9/4 19:20:26

高级前端题库

前端题库 JS篇如何理解作用域和作用域链作用域作用域就是变量或函数在其内能够被访问的“可见区域” 全局作用域局部作用域作用域链当在某个作用域中尝试访问一个变量时，JS引擎会从当前作用域开始，沿着作用域链向上逐级开始查找，直到…...

编程日记 2025/9/7 5:49:25

博途 TIA Portal之1200做主站与汇川EASY的TCP通讯

前言，虽然已经做了几篇关于TCP通讯的文章，但是不同的PLC之间的配合可能不同，下面将演示这种差异。关于汇川EASY做从站的配置请参见下方链接文章：汇川EASY系列之以太网通讯（套接字socket做从站）_汇川以太网tcp套接字fb块-CSDN博客 1、硬件准备： 1200PLC，汇川EASY320…...

编程日记 2025/9/3 22:48:17

在conda虚拟环境安装GIT并且克隆github上项目指南（解决443问题）

此次笔记记录自己在conda虚拟环境安装git，同时克隆github项目，并且解决了git的443问题。如有不妥欢迎各位大佬批评指正。首先默认你已经安装了anaconda。代开命令提示行配置环境 #首先创建虚拟环境 conda create -n git_env python3.8 #激活虚拟环…...

编程日记 2025/9/15 15:44:49

JavaWeb遇到的问题汇总

问题一：（键值对最后一项没有逗号） 在JSON字符串转自定义对象和自定义对象转JSON字符串时： 如图所示：若忘记删除键值对的最后一项没有逗号时，则下一句转换不会生效，应该删除最后一项的逗号。解…...

编程日记 2025/9/14 20:33:21

Stable Diffusion + Contronet，调参实现LPIPS最优(带生成效果+指标对比)——项目学习记录

目录前言一、数据集：图像文本，部分选取于DeepFashion 二、优化一，img2img 三、优化二，微调sd参数四、优化三，dreamshaper优化五、优化四，sdv1.5contronet 六、问题探索历程 1. 从 SDXL 到轻量化模…...

编程日记 2025/9/11 13:38:00

一、多线程对共享变量的非互斥访问

🧠 1. 程序功能概述

⚠️ 2. 存在的核心问题：数据竞争（Race Condition）

❗ 对 num-- 是分三步执行的：

举例说明：

🔍 3. 运行效果举例（输出可能类似）：

✅4. 如何解决？使用线程同步机制：互斥锁 pthread_mutex_t

🛠️ 5. 修改后关键片段示例（以 sub1 为例）

🔚 6. 总结

二、并发线程同步与互斥

✅ 1. 程序功能概述

🔧 2. 头文件说明

🔐 3. 全局变量及互斥锁

🧵 4. 线程函数 sub1 和 sub2

🔹 sub1 函数

🔹 sub2 函数

👑 5. 主线程 main 函数

1️⃣ 创建线程

2️⃣ 主线程也参与对 num 的操作

3️⃣ 等待线程结束并获取退出状态

🧪 6. 运行效果示例（输出节选）

🔒 7. 为什么这次没有竞态条件？

📌 八、总结

相关文章：

❗ 对 `num--` 是分三步执行的：

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

🛠️ 5. 修改后关键片段示例（以 `sub1` 为例）

🔹 `sub1` 函数

🔹 `sub2` 函数

👑 5. 主线程 `main` 函数

2️⃣ 主线程也参与对 `num` 的操作