增加相同的全局变量时线程如何表现？

Question

请说明以下代码中尝试增加全局变量c的区别

我不清楚为什么在第一种情况下最大值为20而在第二种情况下最大值为10。

void * increment(void *vptr)
{   int i;
for (i = 0; i < 10; i++) {
c++ 
}
return(NULL);
}


void * increment(void *vptr)
{   int i, val;
for (i = 0; i < 10; i++) {
val = c;
c= val+1;   
}
return(NULL);
}

Answer 1

按照书面规定，运行上述两个功能中的任何一个的2个线程可能导致c为20 。使用多线程时，无法保证两个线程同时或以相同的速度运行。一个线程可以在其他线程启动之前就完成，这取决于操作系统，硬件等。因此，除非您适当地防范race conditions，否则您不能依赖结果。

也就是说，两个功能执行的操作之间存在差异。具体来说，一个直接增加全局变量（可能是单个处理器指令），而另一个则将值复制到局部变量，然后将该局部值+1分配回全局变量。

对于您要描述的特定输出，操作序列如下所示：

情况1：

1. c的首字母为：c = 0
2. 线程1递增c：c = 1
3. 线程2递增c：c = 2
4. 线程1递增c：c = 3
5. 线程2递增c：c = 4
6. 线程1递增c：c = 5
7. 线程2递增c：c = 6
8. 线程1递增c：c = 7
9. 线程2递增c：c = 8 。 。 。

情况2：

1. c的首字母为：c = 0
2. 线程1存储c：c = 0, val = 0
3. 线程2存储c：c = 0, val = 0
4. 线程1将val+1分配给c：c = 1
5. 线程2将val+1分配给c：c = 1
6. 线程1存储c：c = 1, val = 1
7. 线程2存储c：c = 1, val = 1
8. 线程1将val+1分配给c：c = 2
9. 线程2将val+1分配给c：c = 2 。 。 。

但是，没有理由使两个运行第二个函数的线程也不能按以下顺序产生20：

1. c的首字母为：c = 0
2. 线程1存储c：c = 0, val = 0
3. 线程1将val+1分配给c：c = 1
4. 线程2存储c：c = 1, val = 1
5. 线程2将val+1分配给c：c = 2
6. 线程1存储c：c = 2, val = 2
7. 线程1将val+1分配给c：c = 3
8. 线程2存储c：c = 3, val = 3
9. 线程2将val+1分配给c：c = 4 。 。 。

Answer 2

了解C从未执行过-将其转换（包括优化）为其他形式（通常是目标CPU的机器代码）。作为该转换的一部分，如果c不是volatile，则这两个代码版本可以变得完全相同，并且都可以优化为单个c += 10（没有任何循环，等等）。 ）。

在机器代码中，通常执行add dword [c],10之类的指令涉及3个步骤-CPU读取旧值，然后将10加到旧值，然后存储新值。当有多个CPU时，这是一个问题-例如两个CPU都可以读取旧值，两个CPU都可以在旧值上加10，然后两个CPU都可以存储新值。为了防止这种情况，CPU采取某种方式来确保原子地执行（某些）指令。例如，对于lock add dword [c],10，“ lock”前缀告诉CPU在执行指令时确保没有其他修改值。在C源代码中没有特殊注释（例如原子变量）的情况下，C编译器没有理由生成这些（更昂贵的）指令，因此没有理由。在这种情况下（如果以c == 0开始，c中的最终值可能是10或20，这取决于每个CPU读取旧值并存储新值的确切时间。

如果c是volatile，或者不是，并且C编译器无法正确优化；然后可以将这两个版本都转换为执行c++;十次的代码（从字面上讲，像c++; c++; c++; ...或循环执行）。在这种情况下（如果以c == 0开始，c中的最终值可以是10到20之间的任何值（例如，可以是10、11、12、13，...，20），具体取决于每个CPU读取旧值并存储新值的确切时间。

具有单个CPU；在指令中间不能进行任务切换。这意味着，如果对C进行转换，使得每次c进行更新时，它都是通过一条指令（例如add dword [c],10或inc dword [c]）完成的，则不会出现竞争条件，并且（如果{{ 1}}最初），c == 0中的最终值为20；但是如果将C转换为每次更新c时都要用多条指令（例如c）完成，那么就会出现竞争条件（例如，在读取旧值之后但在新值之前进行任务切换）存储），其结果可能与“多个CPU”情况相同。