如何解决多线程竞态条件？不用sleep如何保证全局变量var输出稳定

问题根源 #

你遇到的现象是典型的线程执行顺序不确定导致的竞态条件：调用pthread_create仅会向操作系统注册新的可调度线程，并不会保证新线程会立刻抢占主线程的CPU时间片执行，所以var的取值完全取决于主线程执行printf("var=%d",var);和新线程执行var = 1;的先后调度顺序，自然会出现两种结果。

不使用sleep的鲁棒解决方案 #

有三种常用的工业级实现方式，都是靠线程同步原语保证执行顺序，不会依赖不确定的调度延迟：

方案1：调整pthread_join的调用位置 #

pthread_join本身就会阻塞主线程，直到目标线程执行结束。只要把打印var的逻辑放到pthread_join之后，就可以100%保证拿到线程修改后的结果：

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

int var = -1; // 全局变量
  
void *myThreadFun(void *vargp)
{
    var = 1;
    return NULL;
}
   
int main()
{
    pthread_t thread_id;
    printf("Before Thread\n");
    pthread_create(&thread_id, NULL, myThreadFun, NULL);

    // 先等待线程执行结束再读取var
    pthread_join(thread_id, NULL);
    printf("var=%d\n",var);

    printf("After Thread\n");
    exit(0);
}

适用场景：不需要在主线程中做其他并行操作，只需要拿到线程执行后的结果。

方案2：使用条件变量做执行状态同步 #

如果主线程在创建新线程之后还有其他并行任务要做，不能直接阻塞等线程结束，可以用条件变量+互斥锁的组合，标记线程的执行状态：

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

int var = -1; // 全局变量
int thread_done = 0; // 线程执行完成标记
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  
void *myThreadFun(void *vargp)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    var = 1;
    thread_done = 1;
    pthread_cond_signal(&cond); // 通知主线程状态更新
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
   
int main()
{
    pthread_t thread_id;
    printf("Before Thread\n");
    pthread_create(&thread_id, NULL, myThreadFun, NULL);

    // 这里可以插入主线程需要并行执行的其他代码

    // 等待线程执行完成的信号
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(!thread_done) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("var=%d\n",var);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    pthread_join(thread_id, NULL);
    printf("After Thread\n");
    exit(0);
}

适用场景：主线程有并行任务需要执行，不需要立刻等待线程结束，可以灵活控制等待时机。

方案3：使用POSIX信号量做同步 #

信号量的逻辑更简单，适合做单对单的执行顺序同步：

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

int var = -1; // 全局变量
sem_t sem;
  
void *myThreadFun(void *vargp)
{
    var = 1;
    sem_post(&sem); // 发送信号量，通知主线程修改完成
    return NULL;
}
   
int main()
{
    pthread_t thread_id;
    sem_init(&sem, 0, 0); // 初始化信号量初始值为0
    printf("Before Thread\n");
    pthread_create(&thread_id, NULL, myThreadFun, NULL);

    // 这里可以插入主线程需要并行执行的其他代码

    sem_wait(&sem); // 阻塞等待信号量，直到线程修改完成
    printf("var=%d\n",var);

    pthread_join(thread_id, NULL);
    sem_destroy(&sem);
    printf("After Thread\n");
    exit(0);
}

适用场景：轻量级同步场景，代码比条件变量更简洁。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Learner09