多线程编程杂谈(上)

问题

线程执行的过程中可以强制退出吗？

主动退出？被动退出？

问题抽象示例

需要解决的问题

g_run 全局变量需要保护吗？

如何编码使得线程中每行代码的执行可被 g_run 控制？

线程代码在被 g_run 控制并 "强制退出" 时：

如何指定线程的返回值？
如何回收初始化时申请的资源？

关键：如何实现 g_run 的原子化操作

以下是原子操作吗？如果不是，有什么影响？

g_run = 1
if(g_run) {}
while(g_run) {}
g_run++, g_run--, g_run += n, ...

下面的程序会输出什么？为什么？

该程序创建100个线程，每个线程会对全局变量 g_var 进行 10000次加一操作，但由于 g_var 是全局变量，是临界资源，并且 g_var++ 操作不是原子操作，g_var++ 在汇编层面分为三个步骤，首先是将 g_var的值读到某个寄存器上，然后是在寄存器上对这个值加一，最后将加一后的值写入到 g_var，所以这个程序的运行结果的打印，g_var 的值会小于等于 1000000

现代 C 语言的原子化特性

_Atomic 是一个关键字，被修饰的变量具有原子化特性

_Atomic 是与 const 和 volatile 同类型的关键字 (可搭配 typedef 使用)

思考

_Atomic 是现代 C 语言中的关键字，如果不使用它，int 类型变量的操作还是原子的吗？

变量原子性测试

test1.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <memory.h>
#include <semaphore.h>static _Atomic volatile int g_var = 0;void* thread_func(void* arg)
{  int i = 0;for(i=0; i<10000; i++){g_var++;}return NULL;
}int main()
{pthread_t t[100] = {0};int i = 0;void* ret = NULL;for(i=0; i<100; i++){pthread_create(&t[i], NULL, thread_func, NULL);}for(i=0; i<100; i++){pthread_join(t[i], &ret);}printf("g_var = %d\n", g_var);return 0;
}

第 11 行，我们将 g_var 通过 _Atomic 关键字将它修饰为原子变量，对 g_var 的操作不可被打断

程序运行结果如下图所示：

由于g_var 通过 _Atomic 关键字将它修饰为原子变量，所以 g_var++ 变成了原子操作

从微观进行分析

将 C 代码转换为汇编代码可以看出，g_var = 1 和 if(g_var) 是原子操作，而 g_var++ 不是原子操作

结论

对于 int 型全局变量，赋值操作是原子操作 (g_var = 1)

基于值的条件判断是原子操作 (if(g_var))

递增 / 递减操作不是原子操作 (++, --, +=, -=)

线程退出解决方案

({}) 是 gcc 中的语法，这种语法允许在一个表达式的上下文中包含多条语句，这样可以使得宏定义 R 具有返回值，返回值为 code

R 这个宏定义会判断 g_run，如果 g_run 为 0，则调用 pthread_exit() 来结束线程的执行，线程结束的返回值默认为 NULL，也可填在 R 中的第二个参数指定；非 0 则执行 code

注意事项

不是每一行代码都需要使用 R(...) 宏进行线程退出控制

建议编码时，精心设计线程退出的关键点及返回值

实践中，通常以代码块为粒度进行线程退出控制

临界区代码一定不要 R(...) 宏进行线程退出控制 (可能造成死锁)

线程退出解决方案

test2.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <memory.h>
#include <semaphore.h>static volatile int g_run = 0;
static _Atomic volatile int g_var = 0;#define R(code, ...)    ({                   \if( !g_run )                             \pthread_exit((NULL, ##__VA_ARGS__)); \\code;                                    \
})void cleanup_handler(void* arg)
{printf("%s : %p\n", __FUNCTION__, arg);free(arg);
}void* thread_func(void* arg)
{  int i = 0;char* pc = malloc(16);if( pc ){pthread_cleanup_push(cleanup_handler, pc);R(strcpy(pc, "Hello World!"), (void*)111);R(printf("%s\n", pc));for(i=0; i<10000; i++){R(g_var++);}pthread_cleanup_pop(1);}return NULL;
}int main()
{pthread_t t[100] = {0};int i = 0;void* ret = NULL;for(i=0; i<100; i++){pthread_create(&t[i], NULL, thread_func, NULL);}for(i=0; i<100; i++){pthread_join(t[i], &ret);if( ret ){printf("ret = %lld\n", (long long)ret);}}printf("g_var = %d\n", g_var);return 0;
}

第 34 行，我们通过 pthread_cleanup_push(...) 函数来注册线程退出时的资源清理函数，当 thread_func 线程退出时，会调用 cleanup_handler(...) 函数来清理资源，这里是用来释放 pc 所指向的堆空间

在线程可能会中途退出的代码片段中使用宏定义 R(...)，但不宜每个地方都使用，这样会影响程序的执行效率

程序运行结果如下图所示：