C语言多线程中变量累加问题的分析

程序员文章站 2022-07-01 22:56:51

问题：请问下面程序中，main函数打印出的g_iTestInteger变量的值是多少？ /******************************************...

问题：请问下面程序中，main函数打印出的g_iTestInteger变量的值是多少？

/**********************************************************************
* 版权所有 (C)2015, Zhou Zhaoxiong。
*
* 文件名称：MultipleThread_1.c
* 文件标识：无
* 内容摘要：多线程中的变量值问题
* 其它说明：无
* 当前版本：V1.0
* 作    者：Zhou Zhaoxiong
* 完成日期：20151117
*
**********************************************************************/
#include 
#include 
#include 

// 重定义数据类型
typedef signed   int    INT32;
typedef unsigned int    UINT32;

// 宏定义
#define THREAD_NUM     100              // 线程个数

// 全局变量
UINT32 g_iTestInteger = 0;

// 函数声明
void ProcessTask(void *pParam);


/**********************************************************************
* 功能描述：主函数
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返 回 值：无
* 其它说明：无
* 修改日期        版本号     修改人            修改内容
* -------------------------------------------------------------------
* 20151117       V1.0     Zhou Zhaoxiong      创建
***********************************************************************/
INT32 main()
{
    pthread_t MultiHandle  = 0;      // 多线程句柄
    pthread_t SingleHandle = 0;     // 单线程句柄
    UINT32    iLoopFlag    = 0;
    INT32     iRetVal      = 0;  // 创建线程函数的返回值

    // 循环创建线程
    for (iLoopFlag = 0; iLoopFlag < THREAD_NUM; iLoopFlag ++)
    {
        iRetVal = pthread_create(&MultiHandle, NULL, (void * (*)(void *))(&ProcessTask), (void *)iLoopFlag);
        if (0 != iRetVal)
        {
            printf(Create ProcessTask %d failed!
, iLoopFlag);
            return -1;
        }
    }

    // 打印全局变量的值
    printf(In main, TestInteger = %d
, g_iTestInteger);

    return 0;   
}


/**********************************************************************
 * 功能描述： 处理线程
 * 输入参数： pParam-线程编号
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 其它说明： 无
 * 修改日期            版本号            修改人           修改内容
 * ----------------------------------------------------------------------
*  20151117           V1.0          Zhou Zhaoxiong       创建
 ************************************************************************/
void ProcessTask(void *pParam)
{
    g_iTestInteger ++;
}

以上程序的功能比较简单，就是创建100个相同的线程，在线程中对g_iTestInteger的值进行累加，然后在main函数中打印g_iTestInteger的值。

看到这个程序，大家可能会说g_iTestInteger变量的值应该是100，因为每个线程都对g_iTestInteger加了1次。好吧，我们先运行程序，看下打印出来的结果是多少。

我们将程序上传到Linux机器上，然后执行如下操作：

~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> gcc -g -o MultipleThread MultipleThread_1.c -lpthread
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 99
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 99
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 99
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 98
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 99

出乎大多数人的意料，g_iTestInteger变量的值不但不是100，而且不是固定的值。在这里，我只是运行了五次程序，大家可以多运行几次，看结果会不会是100。

那么，为什么结果不是100呢？为了查找原因，我们在“g_iTestInteger ++;”代码之后将g_iTestInteger变量的值打印出来，如下代码所示：

/**********************************************************************
* 版权所有 (C)2015, Zhou Zhaoxiong。
*
* 文件名称：MultipleThread_2.c
* 文件标识：无
* 内容摘要：多线程中的变量值问题
* 其它说明：无
* 当前版本：V1.0
* 作    者：Zhou Zhaoxiong
* 完成日期：20151117
*
**********************************************************************/
#include 
#include 
#include 

// 重定义数据类型
typedef signed   int    INT32;
typedef unsigned int    UINT32;

// 宏定义
#define THREAD_NUM     100              // 线程个数

// 全局变量
UINT32 g_iTestInteger = 0;

// 函数声明
void ProcessTask(void *pParam);


/**********************************************************************
* 功能描述：主函数
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返 回 值：无
* 其它说明：无
* 修改日期        版本号     修改人            修改内容
* -------------------------------------------------------------------
* 20151117       V1.0     Zhou Zhaoxiong      创建
***********************************************************************/
INT32 main()
{
    pthread_t MultiHandle  = 0;      // 多线程句柄
    pthread_t SingleHandle = 0;     // 单线程句柄
    UINT32    iLoopFlag    = 0;
    INT32     iRetVal      = 0;  // 创建线程函数的返回值

    // 循环创建线程
    for (iLoopFlag = 0; iLoopFlag < THREAD_NUM; iLoopFlag ++)
    {
        iRetVal = pthread_create(&MultiHandle, NULL, (void * (*)(void *))(&ProcessTask), (void *)iLoopFlag);
        if (0 != iRetVal)
        {
            printf(Create ProcessTask %d failed!
, iLoopFlag);
            return -1;
        }
    }

    // 打印全局变量的值
    printf(In main, TestInteger = %d
, g_iTestInteger);

    return 0;   
}


/**********************************************************************
 * 功能描述： 处理线程
 * 输入参数： pParam-线程编号
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 其它说明： 无
 * 修改日期            版本号            修改人           修改内容
 * ----------------------------------------------------------------------
*  20151117           V1.0          Zhou Zhaoxiong       创建
 ************************************************************************/
void ProcessTask(void *pParam)
{
    g_iTestInteger ++;
    printf(TestInteger = %d
, g_iTestInteger);
}

重新上传程序，编译并执行，如下：

TestInteger = 1
TestInteger = 3
TestInteger = 2
TestInteger = 4
TestInteger = 5
TestInteger = 6
TestInteger = 26
TestInteger = 7
TestInteger = 8
TestInteger = 9
TestInteger = 10
TestInteger = 11
TestInteger = 12
TestInteger = 13
TestInteger = 27
TestInteger = 15
TestInteger = 16
TestInteger = 17
TestInteger = 18
TestInteger = 19
TestInteger = 20
TestInteger = 21
TestInteger = 22
TestInteger = 23
TestInteger = 24
TestInteger = 25
TestInteger = 14
TestInteger = 28
TestInteger = 29
TestInteger = 30
TestInteger = 31
TestInteger = 32
TestInteger = 33
TestInteger = 34
TestInteger = 35
TestInteger = 36
TestInteger = 37
TestInteger = 38
TestInteger = 39
TestInteger = 40
TestInteger = 41
TestInteger = 42
TestInteger = 43
TestInteger = 44
TestInteger = 45
TestInteger = 49
TestInteger = 47
TestInteger = 48
TestInteger = 46
TestInteger = 50
TestInteger = 54
TestInteger = 55
TestInteger = 56
TestInteger = 57
TestInteger = 52
TestInteger = 53
TestInteger = 58
TestInteger = 59
TestInteger = 60
TestInteger = 61
TestInteger = 62
TestInteger = 63
TestInteger = 51
TestInteger = 64
TestInteger = 65
TestInteger = 66
TestInteger = 67
TestInteger = 68
TestInteger = 69
TestInteger = 70
TestInteger = 71
TestInteger = 72
TestInteger = 73
TestInteger = 100
TestInteger = 75
TestInteger = 76
TestInteger = 77
TestInteger = 78
TestInteger = 79
TestInteger = 80
TestInteger = 81
TestInteger = 82
TestInteger = 83
TestInteger = 84
TestInteger = 85
TestInteger = 86
TestInteger = 87
TestInteger = 88
TestInteger = 89
TestInteger = 90
TestInteger = 91
TestInteger = 92
TestInteger = 93
TestInteger = 94
TestInteger = 95
TestInteger = 96
TestInteger = 97
TestInteger = 98
In main, TestInteger = 98
TestInteger = 99
TestInteger = 74

可以看到，g_iTestInteger变量的值并不是顺序增加的。由此可以看出，这100个线程的执行时间有先后之分，如果按照1~100为它们编号的话，并不一定说10号线程要在9号线程之后执行。除此之外，在main函数中打印g_iTestInteger变量值的时候，也许还有线程在执行(从程序输出结果来看，确实如此)，因此打印出的值不是100，而是小于100的一个数。我们可以猜想，g_iTestInteger的值的范围是[1, 100]。

为了等线程执行完成之后再打印g_iTestInteger的值，我们可以在线程创建完成之后让程序休眠一段时间，然后再打印变量值。如下代码所示：

/**********************************************************************
* 版权所有 (C)2015, Zhou Zhaoxiong。
*
* 文件名称：MultipleThread_3.c
* 文件标识：无
* 内容摘要：多线程中的变量值问题
* 其它说明：无
* 当前版本：V1.0
* 作    者：Zhou Zhaoxiong
* 完成日期：20151117
*
**********************************************************************/
#include 
#include 
#include 

// 重定义数据类型
typedef signed   int    INT32;
typedef unsigned int    UINT32;

// 宏定义
#define THREAD_NUM     100              // 线程个数

// 全局变量
UINT32 g_iTestInteger = 0;

// 函数声明
void ProcessTask(void *pParam);
void Sleep(UINT32 iCountMs);


/**********************************************************************
* 功能描述：主函数
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返 回 值：无
* 其它说明：无
* 修改日期        版本号     修改人            修改内容
* -------------------------------------------------------------------
* 20151117        V1.0   Zhou Zhaoxiong       创建
***********************************************************************/
INT32 main()
{
    pthread_t MultiHandle  = 0;      // 多线程句柄
    pthread_t SingleHandle = 0;     // 单线程句柄
    UINT32    iLoopFlag    = 0;
    INT32     iRetVal      = 0;  // 创建线程函数的返回值

    // 循环创建线程
    for (iLoopFlag = 0; iLoopFlag < THREAD_NUM; iLoopFlag ++)
    {
        iRetVal = pthread_create(&MultiHandle, NULL, (void * (*)(void *))(&ProcessTask), (void *)iLoopFlag);
        if (0 != iRetVal)
        {
            printf(Create ProcessTask %d failed!
, iLoopFlag);
            return -1;
        }
    }

    Sleep(1000);   // 休息1s

    // 打印全局变量的值
    printf(In main, TestInteger = %d
, g_iTestInteger);

    return 0;   
}


/**********************************************************************
 * 功能描述： 处理线程
 * 输入参数： pParam-线程编号
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 其它说明： 无
 * 修改日期            版本号            修改人           修改内容
 * ----------------------------------------------------------------------
*  20151117           V1.0          Zhou Zhaoxiong       创建
 ************************************************************************/
void ProcessTask(void *pParam)
{
    g_iTestInteger ++;
}


/**********************************************************************
* 功能描述： 程序休眠
* 输入参数： iCountMs-休眠时间(单位:ms)
* 输出参数： 无
* 返 回 值： 无
* 其它说明： 无
* 修改日期          版本号       修改人              修改内容
* ------------------------------------------------------------------
* 20151117          V1.0    Zhou Zhaoxiong          创建
********************************************************************/
void Sleep(UINT32 iCountMs)
{
    struct timeval t_timeout = {0};

    if (iCountMs < 1000)
    {
        t_timeout.tv_sec = 0;
        t_timeout.tv_usec = iCountMs * 1000;
    }
    else
    {
        t_timeout.tv_sec = iCountMs / 1000;
        t_timeout.tv_usec = (iCountMs % 1000) * 1000;
    }
    select(0, NULL, NULL, NULL, &t_timeout);   // 调用select函数阻塞程序
}

重新上传程序，编译并执行，如下：

~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> gcc -g -o MultipleThread MultipleThread_3.c -lpthread
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 100
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 100
~/zhouzhaoxiong/zzx/MultipleThread> MultipleThread
In main, TestInteger = 100

可以看到，程序运行了多次，g_iTestInteger的值始终是100。看来，“心急吃不得热豆腐”，我们要等所有线程都全部执行完成之后，再来打印变量值。

通过以上分析，我们可以得出以下结论：

第一，在多线程程序中，尽量不要同时对同一个全局变量执行加减等操作，这样执行之后的结果很有可能不是我们想要的。

第二，多线程不是万能的，创建多线程的初衷，是要并行地执行很多互不关联或关联度很小的操作。如果某些操作有很强的耦合关系(如本例中的对g_iTestInteger变量加1)，那么放到一个单线程里面顺序执行更好。

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