pthreads共享数据访问问题：代码输出分析与同步方案

我正在学习系统编程与操作系统，遇到某机构过往面试中的pthreads练习题，经调研仍有困惑，现提出以下技术问题：

1. 如下代码的输出可能有多少种取值？
2. 这些取值具体是什么？
3. 产生不同取值的原因是什么？
4. 如何避免出现不同取值？

附代码：

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

int shared_data = 100;

void* thread_function(void *args)
{
    long temp;
    long *j = (long *) args;
    temp = shared_data;
    temp = temp + (long)&j; // 取线程局部变量j的地址，转为long类型后累加
    shared_data = temp;
    
    return (NULL);
}

int main() 
{
    long i = 0;
    long tinfo[] = {1,2,3};
    pthread_t ids[3];

    for(int i=0 ;i<3;i++)
    {
        pthread_create(ids+i,NULL,&thread_function, &tinfo[i]);
    }

    for(int i=0 ;i<3;i++)
    {
        pthread_join(ids[i],NULL);
    }

    printf("shared data = %d\n",shared_data);
}

问题1：输出可能有多少种取值？ #

一共有7种不同的可能取值。

问题2：这些取值具体是什么？ #

三个线程的局部变量j位于各自独立的栈空间，所以它们的地址X1、X2、X3是三个不同的数值。可能的取值包括：

• 仅单个线程的增量生效：100+X1、100+X2、100+X3（另外两个线程的写入被最后执行的线程覆盖）
• 两个线程的增量生效：100+X1+X2、100+X1+X3、100+X2+X3（一个线程读取初始值并修改，另一个读取修改后的值再修改，第三个读取初始值并覆盖前两者的部分结果）
• 三个线程的增量全部生效：100+X1+X2+X3（三个线程依次串行执行，每个都基于前一个的修改结果更新）

问题3：产生不同取值的原因是什么？ #

根本原因是竞态条件（Race Condition）：

• 对共享变量shared_data的更新不是原子操作，每个线程的逻辑拆成了三步：读取shared_data到局部变量、修改局部变量、写回shared_data。
• 操作系统的线程调度是抢占式的，线程随时可能被暂停，其他线程会趁机修改shared_data。被暂停的线程恢复后，会基于之前读取的旧值修改并写回，直接覆盖其他线程的更新，最终结果完全取决于线程的执行顺序。

问题4：如何避免出现不同取值？ #

要消除竞态条件，必须保证同一时间只有一个线程能修改共享变量，或者让更新操作变成原子性的，常用的解决办法有两种：

方法1：使用互斥锁 #

通过互斥锁锁住共享变量的访问逻辑，确保同一时间只有一个线程执行修改操作：

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

int shared_data = 100;
pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁

void* thread_function(void *args)
{
    long temp;
    long *j = (long *) args;
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 进入临界区前加锁
    temp = shared_data;
    temp = temp + (long)&j;
    shared_data = temp;
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 退出临界区后解锁
    
    return (NULL);
}

int main() 
{
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
    long tinfo[] = {1,2,3};
    pthread_t ids[3];

    for(int i=0 ;i<3;i++)
    {
        pthread_create(ids+i,NULL,&thread_function, &tinfo[i]);
    }

    for(int i=0 ;i<3;i++)
    {
        pthread_join(ids[i],NULL);
    }

    printf("shared data = %d\n",shared_data);
    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
}

方法2：使用原子操作 #

如果编译器支持（比如GCC），可以用内置的原子操作函数直接完成累加，省去锁的开销：

void* thread_function(void *args)
{
    long *j = (long *) args;
    // 原子地将shared_data加上(long)&j，直接返回更新后的值
    __sync_add_and_fetch(&shared_data, (long)&j);
    
    return (NULL);
}

这两种方法都能保证三个线程的增量全部生效，最终输出固定为100+X1+X2+X3。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者NB_1907