跟我学Linux编程-11-多线程编程-竞争
多线程编程-变量
在上几个章节关于Linux多线程示例程序的运行结果描述过程中，细心的同志可能已经发现，我几乎每次的措辞都是“运行结果大致为”。在单线程的编程环境上，如果输入条件一样，程序中又没有随机处理逻辑，那么程序的运行结果是非常精确的，每次都会一样。在多线程中，“程序每次运行，结果精确相同”的结论不再成立，因为各个线程中存在竞争，导致程序进入不可完全预测的分支或执行顺序，从而每次运行的结果可能(注意不是一定)会有变化。今天，我将通过一个简单的示例，要向大家展示，“竞争”是怎么一回事。
示例程序还是和上前边的章节相同，只做了一些简单的改动。代码如下：
#include
#include
#include
int gcnt = 0;
void *thread_task(void *arg)
{
int id = (int)arg;
while (1)
{
gcnt++;
if (gcnt % 2)
{
if (!(gcnt % 2)) printf("[%d] : %d\n", id, gcnt);
}
usleep(1);
}
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t thr;
pthread_create(&thr, NULL, thread_task, (void *)1);
pthread_create(&thr, NULL, thread_task, (void *)2);
thread_task((void *)0);
return 0;
}
在线程执行函数thread_task中，我们每次循环对全局变量gcnt的值进行递增，紧接着做了两个条件判断，如果两次条件都成立，则将gcnt的值打印出来，我们来分析这两个判断条件：
if (gcnt % 2)
{
if (!(gcnt % 2)) printf("[%d] : %d\n", id, gcnt);
}
if (gcnt % 2)在gcnt为奇数是为真，而if (!(gcnt % 2))在gcnt为偶数时为真，两个条件做双重判断，就是说当gcnt即为奇数又为偶数的时候条件才成立，显然，这是一个不可能的事情，那么，gcnt的值永远不会被打印。
结果是这样的吗？我们先不去猜测，编译程序运行一下结果就知道了：
gcc thread2.c -o thread2 –lpthread
./thread2
程序运行后，可能要等很久，也可能没过多久，屏幕上会突然输出如下的信息：
[1] : 775816
[1] : 1558050
[0] : 1617036
[1] : 1655538
[0] : 1667332
[1] : 1680268
[0] : 1681388
…
如果发现程序有输出，我们可以按Ctrl+c终止程序。
不可能发生的事情居然发生了！！！！！难道是因为我们看电脑太久，眼花了吗？？？？如果不相信，可以再执行一次，你可能又会得到下面这样的结果：
[0] : 33876
[2] : 346190
[0] : 545698
[1] : 641654
…
结果还是出人意料，如果还是不信，你可以Ctrl+c杀掉程序，接着再试。我以人格向同志们保证：每次程序多少会输出一些内容，而且每次输出的内容几乎都不相同(如果有某两甚至多次结果相同，也不必惊讶，因这这也是有可能的)。
“不可能”发生的事情多次发生，那么也就成了事实。事实的背后，总是会有真理，接下来就向大家揭晓真理：
在多线程环境中，程序中的每个线程是以各自的进度“同时”在执行的，线程1在做事情A 的时候，线程2可能在做事情B，如果事情A和事情B存在某种关联，则线程1与线程2就会构成竞争，如果这种竞争构成冲突，则会引发不可预测的结果。
此外，各个线程“同时运行”的特性，是从宏观上来度量的，在微观角度上考查，则某一时刻，线程1与线程2未必真的同时在运行。现代的CPU，某个时刻，只能运行一个线程的代码，当线程数大于CPU数量的时候(几乎总是如此)，CPU通过分时来为不同的线程服务，因此某个时刻，总是有一些线程(不会超过电脑中CPU核心个数)在运行，而另外一些线程没有在运行，而在下一刻，之前正在运行的线程停止执行，没有运行的线程获得CPU，投入运行。这个过程被称之为线程调度或者说线程切换。运行的线程被调度为不运行，我们称之为切出，没运行的线程被运行，我们称之为切入。线程的切入切出，遵循一定的时间间隔，这个时间间隔比较短，通常在毫秒这个量级，同时由于各种原因，这种时间间隔又不是很精确，差几个微秒是非常正常的事情。但对于CPU而言，几微秒的差异就是数百万条的机器指令，因此两个线程，就是做一样的事情，经过一断时间后，其各其的进度将会出现不小的差异（除非我们使用了某种方法来阻碍了这种差异的发生与扩大，如之前的示例程序中，我们让程序每执行一条程序就sleep 1秒），从而导致程序运行结果的差异性。
理论知识基本讲解完毕，我们接下来回到示例代码本身。我们将代码：
gcnt++;
if (gcnt % 2)
{
if (!(gcnt % 2)) printf("[%d] : %d\n", id, gcnt);
}
分解为4步：
a 将gcnt的值累加1
b 判断gcnt是否为奇数
c 判断gcnt是否为偶数
d 打印gcnt的值
我们接下来将用表格来模拟两个线程的运行状态，跟踪和分析其运行结果。在表中，如果线程在时刻t执行上述的某个步骤，则其对应列的对应行标记为对应的字母a-d，如果线程在t时刻执行a-d之外的操作，则统一标记为o，如果程序此时刻未运行(被调度器切换出CPU)，则标记为s。我们考察下表：
在t0-t2过程中，线程1执行了a-c3个步骤(步骤c条件不成立，所以d没执行)，线程2在做其它的事情，这时候两个线程没有操作相关联的内容，不存在竞争，因此程序如我们意料不输出任何信息。从t3-t4，线程1执行其它的操作，线程2执行了步骤a，因为条件不成立，b-d没执，这时程序运行结果也如我们预期。
经过一段时间的运行，时间到了t(x+0)时刻，我们假使在这之前，gcnt的值为偶数，如100，我们一步一步来分析接下来几个时刻的程序状态：
t(x+0) : 线程1执行步骤a，使gcnt = 101，此时线程2在做其它事情，不修改gcnt的值。
t(x+1)：线程1执行步骤b，此时gcnt % 2的条件成立，线程2依然在做其它的事情，与线程1没有冲突。
t(x+2)：线程1被切出，暂停运行；线程2执行步骤a，使gcnt=102。
t(x+3)：线程1被切进，继续运行，此时执行步骤c，条件!(gcnt % 2)成立；线程2些时执行步骤b，条件gcnt % 2不成立。
t(x+4)：线程1的两次判条件都成立(虽然看起来是互斥不可能同时发生的)，于是执行步骤d，在屏幕上输出gcnt的值：102。
经过对t(x+0)到t(x+4)共5个时刻程序微观运行状态的分析，我们找到了gcnt是奇数又是偶数这个不可能事件发生的确切证据。微妙的事情发生在t(x+1)-t(x+3)这三个步骤中，在t(x+2)时刻，线程1因为调度，被突然切出cpu了，此时线程2则还在运行，并且执行了步骤a，改变了全局变量gcnt的值，因此在t(x+3)时刻，线程1被切入继续运行，此时执行步骤c，其条件判断中gcnt的值已经不是在t(x+1)时刻的那个值了，因此在t(x+1)判断gcnt为奇数结果为真，在t(x+3)时刻，判断gcnt为偶数结果也为真，gcnt即是奇数又是偶数并不与数学定律冲突：因为两次判断，gcnt并不对应同一个值。
类似微妙的事情，在多线程环境中无时无刻不存发生，如果我们没有意识到这种微妙事件，则很难驾驭我们自己所写的程序，无论概率有多小，无论你认为是多么不应该，它总是会发生，给们带来未曾预料的结果，产生不可思异的事情，正如本例，一个数即是奇数又是偶数，怎么可能，却是事实。
如何确保不可能的事情真的不去发生，是多线程编程的一件难事，也是一件大事。在下一章节，我们将完善本示例，使既是奇数又是偶数的事情不再发生。
眼尖的同学可能已发现，与之前的程序相比，本示例程序中还有一个小改动：原来在循环中sleep(1)，现在是usleep(1)。sleep与useep的作用都是让程序休眠一小会，只是前者参数指定的是秒数，后参数指定的是微秒，因此slee(1)等同于usleep(1000000)。今天程序中线程每次休眠的时间变智短，是为了让程序循环次更快次数更多，加大“不可能事情”发生的概率。