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临界资源

AkashiNeko原创Linux线程临界资源

下面是一个很经典的案例，两个线程同时对一个全局变量进行++操作。每个线程对这个全局变量操作 100,000 次，所以++操作总共执行了 200,000 次。理论上操作完之后的 cnt 值应该为 200,000。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

size_t cnt = 0;

void* routine(void* arg) {
    for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
        ++cnt;
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid[2] = {0, 0};
    pthread_create(&tid[0], NULL, routine, NULL);
    pthread_create(&tid[1], NULL, routine, NULL);
    pthread_join(tid[0], NULL);
    pthread_join(tid[1], NULL);
    printf("cnt = %zu\n", cnt);
    return 0;
}

编译代码，关闭编译器优化。

$ gcc -o main main.c -O0 -lpthread
$ ./main 
cnt = 116601
$ ./main 
cnt = 110954
$ ./main 
cnt = 112617

反复运行代码，可以发现每次 cnt 的值不仅离 200,000 差得远，而且每次的结果还不一样。

观察 ++cnt 对应的汇编。实际上它对应了三条汇编语句。

mov eax, dword ptr [cnt]   ; (1) 将 cnt 的值从内存加载到寄存器 eax 中
add eax, 1                 ; (2) 将寄存器 eax 中的值加 1
mov dword ptr [cnt], eax   ; (3) 将寄存器 eax 中的值存回内存 cnt 中

假设 cnt 的值当前为 20，那么第一条汇编一句则是将 20 这个值从内存中读到寄存器 eax 中。

从内存中读入寄存器eax
从内存中读入寄存器eax

第二条汇编语句，让 eax 寄存器的值加一。

eax寄存器的值加一
eax寄存器的值加一

最后一条汇编语句，将寄存器 eax 中的值写回内存中。

从寄存器eax中写回内存
从寄存器eax中写回内存

在进程调度章节，我们知道 Linux 是采用时间片轮转的方式进行进程调度的，而在 CPU 眼里，线程是和进程相同的实体。所以线程在执行时，也可能会在任意位置被切换走。

在以上第二条汇编语句执行完之后，第三条写回内存的汇编语句执行之前，寄存器中的数据和内存中的数据是不一致的。如果此时线程被切换，另一个线程对 cnt 的值进行了修改，当调度器再次切回该线程的时候，第三条写回内存的汇编语句被执行，cnt 的值就会被不正确地覆盖。

两个线程同时读写内存造成的数据异常
两个线程同时读写内存造成的数据异常

可以发现，造成数据不正确的本质原因是，在某个线程从内存中读走数据后，还没来得及处理和写回内存就被切换走了，并且其他的线程还对这块内存进行了修改。这里的 cnt 变量就是可以同时被多个线程同时读写的数据，称为临界资源。

临界资源

临界资源（Critical Resource）是指在并发编程中被多个线程或进程共享访问的资源，如共享变量、共享数据结构、共享文件、共享设备等。

由于多个线程或进程可以同时访问临界资源，如果没有适当的同步机制来保护它们，可能会导致竞态条件（Race Condition）的发生，从而导致数据不一致、程序错误或异常行为。