线程安全（thread-safe）介绍

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-05-20 05:50 222阅读 0赞

本文主要介绍线程安全（thread-safe）的相关知识。

# 1 概述 #

## 1.1 What ##

想要介绍“线程安全”，那么就必须要提“线程不安全”，甚至可以说，是先出现了“线程不安全”这个问题，而为了解决这个问题，才有了“线程安全”的概念。

“线程安全”和“线程不安全”的相关内容，都是在涉及**多线程编程**时才会用到，在单线程的场景下无需考虑。至于为何需要多线程编程，请参考[此文][Link 1]。

在操作系统中，线程是由进程创建的，线程本身几乎不占有系统资源，线程用到的系统资源是属于进程的。**一个进程可以创建多个线程，这些线程共享着进程中的资源。**所以，当这些线程并发运行时，如果同时对一个数据（该数据属于进程，被线程共享使用）进行修改，那么就可能会造成该数据表现出不符合我们预期的变化，这就是所谓的**线程不安全**。

与线程不安全对应，在拥有共享数据的多条线程并行执行的程序中，**线程安全**的代码会通过（自身实现的）**同步机制**保证各个线程都可以正常且正确的执行，不会出现**数据污染**等意外情况。

从代码角度来说，假设进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行一段代码，如果这段代码在多线程并发情况下的运行结果与单线程的运行结果是一样的，而且其他变量的值也和预期一样，那么这段代码就是线程安全的。

从接口的角度来说，如果一个类（或者程序）提供的接口，对于（调用该接口的）线程来说是**原子的**、或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性，也就是说不用额外考虑调用该接口时线程同步的问题，那么这个接口就是线程安全的。

线程安全问题都是由**全局变量**或**静态变量**引起的。如果每个线程中对全局变量或静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量或静态变量是线程安全的；如果有多个线程同时对全局变量或静态变量执行写操作，则一般都需要考虑**线程同步**，否则就可能影响线程安全。

## 1.2 类的线程安全 ##

线程安全的类，首先必须在单线程环境中有**正确行为：**如果一个类的实现正确（即符合规格说明），那么对这个类的对象的任何操作序列（读或写公共字段以及调用公共方法），都不会让该对象处于无效状态、或者违反类的任何不可变量、前置条件或者后置条件的情况。

此外，一个类要成为线程安全的，在被多个线程同时访问时，不管这些线程是怎样的时序安排或者交错，该类必须仍然具备上述的**正确行为**，并且在调用代码中不需要进行任何额外的**同步**。其效果是，在所有线程看来，对于线程安全对象的操作是以固定的、全局一致的顺序发生的。

## 1.3 线程不安全的示例 ##

### 1.3.1 示例1 ###

比如一个 ArrayList 类，在添加一个元素的时候，包括两个步骤：

1. 在 Items\[Size\] 的位置存放此元素；

2. 增大 Size 的值。

在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置 0，而 Size=1。该类功能正常，数组变化与预期一致。

在多线程情况下，比如有两个线程（A 和 B），线程 A 先将元素存放在位置 0。但是此时经 CPU 调度，线程 A 暂停（挂起），线程 B 开始运行，线程 B 也向 ArrayList 类的 Items 中添加元素，由于此时线程 B 获取的 Size 仍然为 0（因为前面线程 A 仅仅完成了存放操作，尚未进行增大 Size 值操作），所以线程 B 也将元素存放在位置 0，之后线程 A 和线程 B 继续运行，（无论 CPU 如何调度）线程 A 和线程 B 都会增加 Size 的值，导致 Size 值变为 2，然后流程结束。

此时，Items 中的元素数量实际上只有一个，存放在位置 0，而 Size 却等于 2 了，这就出现了“线程不安全”现象了。

### 1.3.2 示例2 ###

有变量 counter = 0，counter 在两线程 A 和 B 之间共享。假设线程 A、线程 B 同时对 counter 进行递增计算（counter++），那么正常情况下，计算后的结果应该是 2，但是在“线程不安全”的情况下，实际的结果却可能是 1。

具体流程与示例 1 类似，递增计算一定要分为多步（本例为三步）进行，步骤如下：

1. 先获取 counter 的值：

2. 对 counter 进行递增计算；

3. 将计算后的结果重新赋值给 counter。

从 CPU 调度角度来看，线程 A 执行上述第 1、2 步之后，CPU 转而去执行线程 B，当线程 B 也执行了上述第1、2步之后，无论后续 CPU 如何调度，最终计算出来的 counter 都是 1（线程 A 的计算结果覆盖线程 B，或者相反），这样就出现了“线程不安全”情况。

## 1.4 How ##

通过前面的讲述，我们已经知道了线程安全的原理，那么应该如何解决多线程并发情况下的线程安全问题呢？

通常可以通过使用**锁（也称互斥锁，mutex）**，来保证线程安全。

有些文章在多线程编程中引入了“原子性”、“可见性”、“顺序性”概念，然后以保证这三者正常实现的方式来保证线程安全，这些方案中包括了使用锁来保证这三者的正常实现，即，使用锁来保证线程安全性。

锁能使其保护的代码路径以**串行形式**被访问，因此可以通过锁可以实现：（对变量操作的）原子性、（完整的变量操作之后才释放锁，保证其他线程对于该变量操作后结果的）可见性、（锁之内的代码全部执行完成之前，其他线程不能进入该代码逻辑，进行变量修改操作）顺序性。

# 2 示例程序 #

在这里提供一个示例程序，该程序会创建两个线程，这两个线程执行同一段代码，该段代码会对全局变量 count 进行修改（加5000次）并打印 count 的值。正常情况下，最终的 count 值应该为 10000。

现在分别在线程不安全和线程安全场景下，编写上述程序。

## 2.1 线程不安全代码 ##

线程不安全代码（thread\_unsafe\_test1.cpp）的内容如下：

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    
    using namespace std;
    
    // 定义全局变量count
    int count = 1;
    
    void* run(void * arg1)
    {
        int i = 0;
    
        while (1)
        {
            // 定义在此处时，是线程不安全的
            int val = count;
            // 在取值和赋值之间，增加打印操作
            cout << "count is: " << count << endl;
            // 定义在此处时，是线程安全的
            //int val = count;
            count = val + 1;
    
            i++;
    
            if (5000 == i)
            {
                break;
            }
        }
    }
    
    int main()
    {
        pthread_t tid1, tid2;
        // 创建线程tid1和tid2，线程的运行函数为run
        pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, run, NULL);
    
        // 等待线程结束，回收线程资源
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
        
        return 0;
    }

编译并执行上述代码，（部分）运行结果可能如下：

![70][]

关于上述示例程序，说明如下：

1.  由于 CPU 调度的不确定性，上述示例程序每次的执行结果都可能会不同，即最终的 count 值为不确定值；
2.  在上述代码中，在读取 count 值（int val = count;）和把新值赋给 count（count = val + 1;）之间，插入一个打印操作（cout << "count is: " << count << endl;），该操作会调用 write 系统调用，此时（程序）会从用户态进入内核态，为内核调度别的线程（执行）提供了一个很好的时机，所以就可能会导致线程的并发运行（CPU 在线程间来回切换），进而产生线程不安全的问题；
3.  通过程序的打印结果，正面证实了上述第 1 点说明结论。另外，为了从另一角度证实第 1 点说明结论，我们将打印操作从“读取与赋值语句之间”移动到“赋值语句之后”，再次编译执行程序，就没有出现线程不安全的问题，即最终的 count 值为 10000；

通过上述几点说明，可以得出一种好的编程方法（或者说编程习惯）：代码需要尽量**内聚**，这里不仅仅是针对代码模块，更多的是针对代码行与行之间逻辑。就本例来说，需要把“打印操作”放到“取值与赋值操作”之前或之后，这样就保证了“取值与赋值操作”的内聚性（虽然仅仅是两行代码），而这样的操作同时也（误打误撞地）实现了线程安全线，尽管我们的初衷并不是为了解决线程不安全的问题。可以说，提高代码内聚性，确实好处多多！

## 2.2 线程安全代码 ##

针对 2.1 节 中遇到的线程不安全问题，通过锁机制来实现线程安全。

线程安全（thread\_safe\_test1.cpp）代码内容如下：

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    
    using namespace std;
    
    // 定义全局变量count
    int count = 1;
    // 定义线程互斥锁
    pthread_mutex_t mutex;
    
    void* run(void * arg1)
    {
        int i = 0;
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        while (1)
        {
            int val = count;
            // 在取值与赋值之间插入打印操作
            cout << "count is: " << count << endl;
            count = val + 1;
    
            i++;
    
            if (5000 == i)
            {
                break;
            }
        }
    
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    int main()
    {
        pthread_t tid1, tid2;
        
        // 初始化互斥锁
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        
        // 创建线程tid1和tid2，线程的运行函数为run
        pthread_create(&tid1, NULL, run, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, run, NULL);
    
        // 等待线程结束，回收线程资源
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
    
        // 销毁互斥锁
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        
        return 0;
    }

编译并执行上述代码，（多次执行的）运行结果如下：

![70 1][]

通过上述执行结果可知，通过引入**互斥锁（Mutex）**，保证了加锁的代码块会被一个线程“独占”，直到该线程执行完成这段代码，并进行解锁操作，其他线程才能进入该代码块，以此达到了线程安全的目的。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/liitdar/article/details/80991865
[70]: /images/20220520/b29c6e8530e84134809da37a8e1a207c.png
[70 1]: /images/20220520/4d7f297f2e0f4de580b67979ccb76229.png