这段多线程代码应该怎么理解?

Question

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

long count = 0;

void *run(void *n) {
  long i, nums = *((long *)n);
  for (i = 0; i < nums; i++) {
    count++;
  }
  return NULL;
}

void main() {
  pthread_t t1, t2;
  long nums = 100000;
  pthread_create(&t1, NULL, run, &nums);
  pthread_create(&t2, NULL, run, &nums);
  pthread_join(t1, NULL);
  pthread_join(t2, NULL);
  printf("count = %d", count);
}

如果我把 nums 设置为 10000,那么每次都准确输出 20000。或者设置的值比 10000 要少时也能准确输出。如果我把 nums 设置为 100000,那么每次输出的值都好像是随机的,范围在 100000 到 200000 之间。

如果是因为线程之间执行顺序的问题导致输出不确定,那为什么当值为 10000 时输出的值是比较确定的?

Answer 1

这种情况下，两个线程有对同一变量的未经同步的写操作，所以存在 data race 。

存在 data race 的情况下，语言并不保证程序的结果。

也许你换台机器、换个编译器、换个编译选项、等等，就又能看到不同的现象。

---

对于貌似“确定”的结果，可能是由于在一个线程启动后，另一个线程还没有开始运行的很短的时间的，第一个线程的 10000 个循环已经做完了。所以两个线程对同一变量的操作实际并没有“重叠”。

当然也还可能有其它原因。

Answer 2

个人理解和CPU调度有关

两个线程全局共享变量count；

1. 当nums <= 10000 时候，调度器可能把两次任务串行的放到同一个执行单元执行（线程Or？），不会产生数据竞争的情况，现在cpu的频率都是Ghz运行速度是很快的，是有这种可能的
2. 当nums > 10000 时候，调度器可能把两次任务串行的放到两个不同执行单元执行（线程Or？），基本就会产生数据竞争的情况，比如某一次调度过程中此时缓存中的count = 1000，调度器切换到p1执行，cpu读取count的值然后进行加法运算后count的是1001，接下来p1准备把这个值(1001)写会到缓存中时，调度器切换到p2执行了, 然后cpu再读取缓存中的值1000，然后进行加法运算准备把这次运算后的结果（1001）写回到缓存时，调度器又切换到了p1,然后p1把它的运算结果1001写会缓存，然后调度器这个时候又切换到了p2,然后p2又把它的运算结果1001也写会到了缓存此时尽管两个线程进行了2次加法运行但是结果却增加了一次 这就是值小于等于 20000的原因

有一本书写的特别清楚我给你找找：

这本数的第2章介绍并发的时候有详细介绍

另外一本是：
Is Parallel Programming Hard, And, If So, What Can You Do About It? (Release v2023.06.11a)

Answer 3

设置为10000或者更少的时候，执行时间短，另一个线程还没来得及和当前执行的线程竞争资源，当前执行的线程就执行完了。

Answer 4

这里存在线程安全问题，即多个线程同时修改 count 变量，可能导致结果不一致。

   long count = 0;
这个变量被所有线程共享，没有采取任何同步措施。

   void *run(void *n) {
     long i, nums = *((long *)n);
     for (i = 0; i < nums; i++) {
       count++; // 对全局变量 count 进行无保护的并发递增
     }
     return NULL;
   }
   

对于输出结果的不一致性：
当 nums 较小时（如 10000），由于循环次数较少，线程间发生数据竞争的概率相对较小，因此输出结果可能看起来比较稳定，但这种情况并不绝对，仍有可能因为线程调度等因素出现偶尔的数据竞争和结果不一致。
当 nums 较大时（如 100000），线程间的并发更新次数大大增加，数据竞争变得更为频繁，因此会出现明显的不一致现象，导致输出的结果在某个范围内波动。
要解决这个问题，应该引入线程同步机制，例如使用互斥锁（mutex）确保同一时间只有一个线程能访问和修改 count 变量，以保证结果正确无误。例如

#include <pthread.h>

long count = 0;
pthread_mutex_t count_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *run(void *n) {
  long i, nums = *((long *)n);
  for (i = 0; i < nums; i++) {
    pthread_mutex_lock(&count_mutex);
    count++;
    pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
  }
  return NULL;
}

Answer 5

个人以为：错误的原因是多线程竞争，数太小没有影响是因为太快了，线程2还在创建，线程1已经执行完毕