多线程全局变量赋值大揭秘：为何变量共享惹的祸？

2024-01-29 08:39:36

多线程中的全局变量：危险与解决方案

在计算机科学中，多线程是一种利用多个处理器核心同时执行多个任务以提高程序效率的强大技术。然而，当多线程遇上全局变量时，可能会出现意想不到的问题，甚至导致程序崩溃。本文将深入探究多线程与全局变量之间的潜在危险，并提供有效的解决方案。

数据竞争：多线程下的噩梦

全局变量是存储在进程地址空间中，供所有线程共享的数据。看似方便，但在多线程环境下，它们却成为数据竞争的温床。数据竞争发生在多个线程同时访问和修改同一个共享变量时，而没有适当的同步机制来协调它们的访问。这种混乱的情况会导致程序行为的不确定性，甚至导致崩溃。

汇编代码揭露：指令重排序的魔术

为了理解数据竞争如何导致崩溃，让我们使用反汇编工具将 C++ 代码转换为汇编代码。汇编代码揭示了指令的底层执行顺序，其中可能会出现称为指令重排序的现象。

指令重排序是一种优化技术，编译器或处理器使用它来提高性能。只要不改变程序的语义，它可以改变指令的执行顺序。不幸的是，指令重排序可能会打乱多线程程序中对全局变量的访问，导致意外的结果。

示例：崩溃代码的解析

考虑以下代码示例：

int global_variable = 0;

void thread_function() {
  global_variable = 1;
}

int main() {
  std::thread t1(thread_function);
  std::thread t2(thread_function);

  t1.join();
  t2.join();

  return 0;
}

由于指令重排序，可能发生的情况是：

线程 1 加载 global_variable 到寄存器 eax1。
线程 2 也加载 global_variable 到寄存器 eax2。
线程 1 将 eax1 加 1。
线程 2 将 eax2 加 1。
线程 1 将 eax1 存储回 global_variable。
线程 2 将 eax2 存储回 global_variable。

结果是 global_variable 的值仅为 1，而不是预期的 2。这是因为线程 1 和 2 都修改了 global_variable，但它们的执行顺序被重排序了。

解决方案：拥抱原子性

为了解决数据竞争并防止崩溃，我们需要使用原子操作来确保对全局变量的访问是原子的。原子操作是指在一个操作中完成对变量的读取和修改，保证变量在操作期间不被其他线程访问。

在 C++ 中，我们可以使用 std::atomic<int> 来创建一个原子整型变量，并使用 std::atomic<int>::store() 和 std::atomic<int>::load() 来对原子变量进行赋值和读取。

std::atomic<int> global_variable = 0;

void thread_function() {
  global_variable.store(1, std::memory_order_relaxed);
}

int main() {
  std::thread t1(thread_function);
  std::thread t2(thread_function);

  t1.join();
  t2.join();

  return 0;
}

通过使用原子操作，我们确保了对 global_variable 的访问是原子的，从而消除了数据竞争的问题。

内存屏障：防止指令重排序

除了原子操作之外，我们还可以使用内存屏障来防止指令重排序对程序行为的影响。内存屏障是一种特殊的指令，它可以强制编译器或处理器按照指定的顺序执行指令。

在 C++ 中，我们可以使用 std::memory_order_seq_cst 来创建一个内存屏障。

std::atomic<int> global_variable = 0;

void thread_function() {
  global_variable.store(1, std::memory_order_seq_cst);
}

int main() {
  std::thread t1(thread_function);
  std::thread t2(thread_function);

  t1.join();
  t2.join();

  return 0;
}