如何在特定的代码行同步两个 CPU 线程？

Posted 2023-02-14

【中文标题】如何在特定的代码行同步两个 CPU 线程？

【英文标题】：How can I synchronize two CPU threads at a specific line of code?

【发布时间】：2022-01-07 05:45:35

【问题描述】：

我有两个线程和一个 CPU。

我希望在其程序中较早到达 A 行的两个线程中的每一个都等待另一个线程到达 A 行，之后两个线程继续运行它们的程序。我已经这样做了，但是我希望 A 行的两个线程同时运行它们的程序。

我怎样才能做到这一点？

我的代码：

//headers
static volatile bool waitFlag[2];

void *threadZero(void*)
    //some codes

    waitFlag[1] = true;
    while(!waitFlag[0]);
    //line A of thread zero

    //some codes  



void *threadOne(void*)
    // some codes

    waitFlag[0] = true;
    while(!waitFlag[1]);
    //line A of thread one

    //some codes



int main()
    waitFlag[0] = waitFlag[1] = false;
    //Creates two threads and waits for them to finish.

【问题讨论】：

所以请注意，仅使用普通的bool 不是线程安全的，并且会导致数据竞争，从而导致未定义的行为。在 C 中，您应该使用 OS 原语或 C11 atomics（通常受支持）

Re "OS 原语"，这是指互斥体、信号量等。如果涉及到非平凡的等待，这些比使用忙等待循环更合适原子。

@mehran 因为bool 不是线程安全的，CPU 可能看不到跨线程的更新。 C 标准明确规定，为了不引起数据竞争，它要么需要在屏障（OS Primitive）后面，要么在从多个线程访问时使用原子。

***.com/questions/26231727/…

如果您愿意切换到 C++20，std::latch 将这一切都包装在一个不错的包中。请注意，它仍然不能确保两个线程实际上同时运行；这总是受操作系统调度程序的支配。

【参考方案1】：

繁忙的循环对此目的是低效的。你想要的是一个condition、一个mutex和一个简单的计数器：

锁定互斥体。 增加计数器。 如果计数器是2，则按条件广播。 否则等待条件。 解锁互斥锁。

通过更改计数器的阈值，这个逻辑可以很容易地适应任意数量的线程。最后一个增加计数器的线程（受互斥锁保护）将在条件下广播，并将同时解锁自己和所有其他线程。如果要多次同步，也可以重置计数器。

这是一个例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/random.h>

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t cond_mutex;
unsigned int waiting;

// Sleep a random amount between 0 and 3s.
// This is just for testing, you don't actually neeed it.
void waste_time(void) 
    unsigned us;
    getrandom(&us, sizeof(us), 0);
    us %= 3000000;
    fprintf(stderr, "[%lx] Sleeping %u us...\n", pthread_self(), us);
    usleep(us);


void synchronize(void) 
    pthread_mutex_lock(&cond_mutex);

    if (++waiting == 2) 
        pthread_cond_broadcast(&cond);
     else 
        while (waiting != 2)
            pthread_cond_wait(&cond, &cond_mutex);
    

    pthread_mutex_unlock(&cond_mutex);


void *threadZero(void *_) 
    waste_time();
    // ...
    synchronize();
    fprintf(stderr, "[%lx] Resuming.\n", pthread_self());
    // ...
    return NULL;



void *threadOne(void *_) 
    waste_time();
    // ...
    synchronize();
    fprintf(stderr, "[%lx] Resuming.\n", pthread_self());
    // ...
    return NULL;



int main(void) 
    pthread_t zero, one;

    pthread_create(&zero, NULL, threadZero, NULL);
    pthread_create(&one, NULL, threadOne, NULL);
    // ...
    pthread_join(zero, NULL);
    pthread_join(one, NULL);

    return 0;

【讨论】：

@ikegami 啊，对！感谢您的编辑。

注意：虽然 C11 did introduce primitives for this 尚未跨平台，但截至 2021 年目前支持有限。