12.7.4 竞争

当一个程序的正确性依赖于一个线程要在另一个线程到达 y 点之前到达它的控制流中的 x 点时，就会发生竞争 (race)。通常发生竞争是因为程序员假定线程将按照某种特殊的轨迹线穿过执行状态空间，而忘记了另一条准则规定：多线程的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

例子是理解竞争本质的最简单的方法。让我们来看看图 12-42 中的简单程序。主线程创建了四个对等线程，并传递一个指向一个唯一的整数 ID 的指针到每个线程。每个对等线程复制它的参数中传递的 ID 到一个局部变量中（第 22 行），然后输出一个包含这个 ID 的信息。它看上去足够简单，但是当我们在系统上运行这个程序时，我们得到以下不正确的结果：

linux> ./race
Hello from thread 1
Hello from thread 3
Hello from thread 2
Hello from thread 3

code/conc/race.c

/* WARNING: This code is buggy! */
#include "csapp.h"
#define N 4

void *thread(void *vargp);

int main()
{
    pthread_t tid[N];
    int i;

    for (i = 0; i < N; i++)
        Pthread_create(&tid[i], NULL, thread, &i);
    for (i = 0; i < N; i++)
        Pthread_join(tid[i], NULL);
    exit(0);
}

/* Thread routine */
void *thread(void *vargp)
{
    int myid = *((int *)vargp);
    printf("Hello from thread %d\n", myid);
    return NULL;
}

图 12-42 一个具有竞争的程序

问题是由每个对等线程和主线程之间的竞争引起的。你能发现这个竞争吗？下面是发生的情况。当主线程在第 13 行创建了一个对等线程，它传递了一个指向本地栈变量 i 的指针。在此时，竞争出现在下一次在第 12 行对 i 加 1 和第 22 行参数的间接引用和赋值之间。如果对等线程在主线程执行第 12 行对 i 加 1 之前就执行了第 22 行，那么 myid 变量就得到正确的 ID。否则，它包含的就会是其他线程的 ID。令人惊慌的是，我们是否得到正确的答案依赖于内核是如何调度线程的执行的。在我们的系统中它失败了，但是在其他系统中，它可能就能正确工作，让程序员“幸福地”察觉不到程序的严重错误。

为了消除竞争，我们可以动态地为每个整数 ID 分配一个独立的块，并且传递给线程例程一个指向这个块的指针，如图 12-43 所示（第 12～14 行）。请注意线程例程必须释放这些块以避免内存泄漏。

code/conc/norace.c

#include "csapp.h"
#define N 4

void *thread(void *vargp);

int main()
{
    pthread_t tid[N];
    int i, *ptr;

    for (i = 0; i < N; i++) {
        ptr = Malloc(sizeof(int));
        *ptr = i;
        Pthread_create(&tid[i], NULL, thread, ptr);
    }
    for (i = 0; i < N; i++)
        Pthread_join(tid[i], NULL);
    exit(0);
}

/* Thread routine */
void *thread(void *vargp)
{
    int myid = *((int *)vargp);
    Free(vargp);
    printf("Hello from thread %d\n", myid);
    return NULL;
}

图 12-43 图 12-42 中程序的一个没有竞争的正确版本

当我们在系统上运行这个程序时，现在得到了正确的结果：

linux> ./norace
Hello from thread 0
Hello from thread 1
Hello from thread 2
Hello from thread 3

练习题 12.13 在图 12-43 中，我们可能想要在主线程中的第 14 行后立即释放已分配的内存块，而不是在对等线程中释放它。但是这会是个坏主意。为什么？

练习题 12.14

A. 在图 12-43 中，我们通过为每个整数 ID 分配一个独立的块来消除竞争。给出一个不调用 malloc 或者 free 函数的不同的方法。

B. 这种方法的利弊是什么？