Semaphore/Mutex 和 Printf 之间的同步

Question

我正在为我的操作系统课程做一个关于信号量和同步的练习（见下面的粗体文本）。练习文本是这样的：

Pthread 信号量和互斥量

The C program gen_binary_numbers.c receives on the command line an integer n, and uses recursion to generate and display all binary numbers of n bits.Transform the recursive program into a concurrent one, replacing the recursive procedure with the generation of an appropriate number of processes that display the binary numbers (in any order).

这是我的代码，实际上：

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

int num, r, c;
pthread_mutex_t mutex;
void *genBin(void *arg);

int main (int argc, char **argv) {
  if (argc != 2) {
    fprintf(stdout, "\nUSAGE: %s <n>\n\n", argv[0]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  int i;
  num = atoi(argv[1]);
  c = num;
  r = 2;
  for (i=1; i<num; i++) {
    r=r*2;
  }

  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_t* p;
  p = malloc(r*sizeof(pthread_t));

  for (i=0;i<r;i++) {
    if (pthread_create(&p[i], NULL, genBin, &i)) {
      fprintf(stderr, "Error creating thread.\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
    }
  }
  pthread_exit(0);
}

void *genBin (void *arg) {
  int x;
  int i=0;
  x = *((int*)arg);

  pthread_mutex_lock(&mutex);

  while (i<num) {
    if(x!=0) {
      fprintf(stdout, "%d", x%2);
    }
    else {
      fprintf(stdout, "0");
    }
    i++;
    x/=2;
  }
  fprintf(stdout, "\n");
  pthread_mutex_unlock(&mutex);
  pthread_exit(0);
}

我认为代码应该 return 正确的解决方案，但有时输出不 return 正确的数字。

正确输出示例：

错误输出示例（因为重复）：

我认为问题出在互斥体和 printf 之间的同步上。是否有替代解决方案来避免混淆结果？

Answer 1

问题出在这部分：

  for (i=0;i<r;i++) {
    if (pthread_create(&p[i], NULL, genBin, &i)) {
      fprintf(stderr, "Error creating thread.\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
    }
  }

这里有 data race，因为您将 i 的地址传递给所有线程。您可以使用临时数组将单独的数字传递给每个线程。

Answer 2

您的代码包含竞争条件。在 main 中，您将迭代变量的地址 i 作为线程函数的参数传递。然后每个新线程与主线程竞争以在主线程递增它之前读取 i 的值（通过提供的指针）。解决该问题的一种方法是使用信号量让主线程在创建每个线程后等待，直到该线程取消引用其参数。

此外，我认为您不需要在 genBin() 中使用互斥锁。它访问的唯一共享数据是 stdout，通过 fprintf()，并且该函数运行时就好像它锁定了与指定流关联的独占锁。此外，使用互斥锁，您基本上不会获得实际的并发性，因为每个线程几乎在其执行的整个过程中都将互斥锁锁定。

Answer 3

谢谢大家！你解决了我的问题。这是更正后的代码：

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

int num, r, c;
pthread_mutex_t mutex;
void *genBin(void *arg);

int main (int argc, char **argv) {
  if (argc != 2) {
    fprintf(stdout, "\nUSAGE: %s <n>\n\n", argv[0]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  int i;
  int *temp;
  num = atoi(argv[1]);
  c = num;
  r = 2;
  for (i=1; i<num; i++) {
    r=r*2;
  }

  temp = malloc(r*sizeof(int));
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_t* p;
  p = malloc(r*sizeof(pthread_t));

  for (i=0;i<r;i++) {
    temp[i] = i;  
  }

  for (i=0;i<r;i++) {
    if (pthread_create(&p[i], NULL, genBin, &temp[i])) {
      fprintf(stderr, "Error creating thread.\n");
      exit(EXIT_FAILURE);

    }
  }

  for (i=0;i<r;i++) {
    if (pthread_join(p[i], NULL)) {
      fprintf(stderr, "Error creating thread.\n");
      exit(EXIT_FAILURE);
    }
  }

  pthread_mutex_destroy(&mutex);
  free(temp);
  free(p);
  pthread_exit(0);
}

void *genBin (void *arg) {
  int x;
  int i=0;
  int *v;
  v = malloc(num*sizeof(int));
  x = *((int*)arg);

  for (i=0; i<num; i++) {
    v[i] = x%2;
    x/=2;
  }

  pthread_mutex_lock(&mutex);
  for (i=0; i<num; i++) {
    fprintf(stdout, "%d", v[i]);
  }
  fprintf(stdout, "\n");
  pthread_mutex_unlock(&mutex);

  free(v);
  pthread_exit(0);
}

Semaphore/Mutex 和 Printf 之间的同步

Synchronization between Semaphore/Mutex and Printf

c

printf

mutex

semaphore

binary-semaphore