关于含潜在data race的多线程C++程序实际执行合理性的问询

你已经明确「数据竞争是执行的属性，而非抽象程序的属性」——也就是只要两个线程实际上（而非理论上）不同时访问共享变量（且至少一个是写操作），程序行为就是良定义的。现在针对以下C++程序探讨：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>

constexpr int sleepTime = 10;

void func(int* ptr) {
    sleep(sleepTime);
    std::cout<<"going to delete ptr: "<<(uintptr_t)ptr<<"\n";
    delete ptr;
    std::cout<<"ptr has been deleted\n";
}

int main() {

    int* l_ptr = new int(5);

    std::thread t(func, l_ptr);

    t.detach();


    std::cout<<"We have passed ptr: "<<(uintptr_t)l_ptr<<" to thread for deletion. Val at ptr: "<<*l_ptr<<"\n";

    std::cin.get();

}

问题 #

该程序仅当主线程与子线程同时访问共享变量时才存在数据竞争，请问在多核CPU环境下，实际发生这种情况是否极不可能？

回答 #

实际发生数据竞争的概率确实极低，但绝非不可能。

具体分析：

• 子线程启动后第一时间调用了sleep(10)，这会让它挂起10秒，之后才会执行delete ptr（这属于对共享内存的写操作，因为释放内存会修改内存的状态）。
• 主线程在创建并分离子线程后，会立刻执行包含*l_ptr读操作的std::cout语句，这个操作会在子线程挂起的10秒窗口内快速完成，之后主线程就卡在std::cin.get()等待输入了——此时子线程才会醒来执行delete。

从时间线来看，两者的访问操作窗口几乎完全错开，所以绝大多数情况下不会出现同时访问的情况。

但极端情况依然存在：比如主线程执行到*l_ptr的读操作时，刚好被操作系统中断，调度器把CPU时间片切给子线程，而子线程此时刚好用完10秒的睡眠时间，开始执行delete ptr——这种情况下就会出现读和写操作同时发生，触发数据竞争。

这种极端情况的触发概率极低，但从C++标准的角度来说，只要存在理论上的可能性，程序就属于未定义行为，绝对不能依赖这种低概率来保证程序安全。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Vishal Sharma