函数调用未排序修改全局变量是否引发UB？加mutex能否解决？

一、原始代码是否存在未定义行为（UB） #

先看原始代码：

int counter = 0;

int mul_func(int x) {
  counter *= x;
  x = counter;
  return x;
}

int add_func(int x) {
  counter += x;
  x = counter;
  return x;
}

int main(void) {
  int sum = add_func(3) + mul_func(2);
}

这段代码不存在未定义行为，仅存在未指定行为：

• C标准规定，表达式中函数调用的执行顺序是未指定的，编译器可选择先执行add_func(3)再执行mul_func(2)，或者反过来。
• 单线程下两个函数的执行是原子的，不会出现交错修改全局变量counter的情况，最终只会产生两种确定的合法结果：
  1. 先执行add_func：counter变为3，再执行mul_func将counter乘2得到6，sum = 3 + 6 = 9
  2. 先执行mul_func：counter乘以2仍为0，再执行add_func将counter加3得到3，sum = 0 + 3 = 3
     未指定行为仅导致结果不确定，但程序行为完全符合标准约束，不属于未定义行为。

二、添加互斥锁后的效果 #

先修正代码中的两处错误：pthread_mutex_d应为pthread_mutex_t，pthread_mutex_init需传入属性参数（可传NULL使用默认属性），修正后的代码如下：

#include <pthread.h>

int counter = 0;
pthread_mutex_t mtx;

int mul_func(int x) {
  pthread_mutex_lock(&mtx);
  counter *= x;
  x = counter;
  pthread_mutex_unlock(&mtx);
  return x;
}

int add_func(int x) {
  pthread_mutex_lock(&mtx);
  counter += x;
  x = counter;
  pthread_mutex_unlock(&mtx);
  return x;
}

int main(void) {
  pthread_mutex_init(&mtx, NULL);
  int sum = add_func(3) + mul_func(2);
  pthread_mutex_destroy(&mtx);
}

在单线程场景下，添加互斥锁不会解决任何问题（也不会引入问题）：

• 互斥锁的作用是解决多线程下的数据竞争，但这段代码是单线程执行，本来就不存在数据竞争。
• 函数调用的顺序依然是未指定的，编译器仍可选择先执行任意一个函数，最终结果依然是之前的两种可能之一。
• 这段代码不存在未定义行为，结果的不确定性依然是未指定行为导致的，而非UB。

三、无数据竞争的“未排序”是否会引发UB #

明确结论：不会。

• 未指定顺序的函数调用（单线程下），只要没有数据竞争（单线程天然不存在数据竞争），且没有违反C标准的其他规则（比如对同一个对象的无同步读写），那么程序的行为就是标准允许的——只是结果取决于编译器选择的执行顺序，但每种可能的结果都是合法的，不属于未定义行为。
• 未定义行为是指标准完全放弃对程序行为的约束（比如可能崩溃、输出无意义结果等），而未指定行为只是结果不确定，但程序的每一种可能行为都在标准的约束范围内。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者D.J. Elkind