26-线程安全

3.14　线程安全

线程是指在一个进程中的执行单元。绝大多数进程只有一个线程。不过，一个进程也可以持有多个线程，每个线程执行自己的代码逻辑。我们称这种进程为“多线程（multithreaded）”。可以把多线程的进程理解成有多个进程共享同一地址空间，如果没有显式协调，线程会在任意时刻、以任意方式运行。在多处理器系统中，同一个进程的两个或多个线程可能会并发执行。在访问共享数据时，有两种方式可以避免修改它：一是采取数据同步访问（synchronized access）机制（通过加锁实现），二是把数据存储在线程的局部变量中（thread-local，也称为线程封闭thread confinement）。

支持线程的操作系统提供了锁机制（锁是指可以保证相互排斥的程序结构），从而保证线程之间不会互相干扰。标准I/O使用了这些机制，保证单个进程的多个线程可以同时发起标准I/O调用——甚至可以对于同一个流发起多个调用，不会由于并发操作而彼此干扰。但是，这些机制通常还不能满足需求。举个例子，在某些情况下，你希望给一组调用加锁，把一个I/O操作的临界区（critical region，是指一段独立运行的代码，不受其他线程干扰）扩大为几个I/O操作。而在另外一些情况下，你可能希望取消全部锁，以提高程序效率^[1]。本节中，我们将会讨论如何处理这两种情况。

标准I/O函数在本质上是线程安全的。在每个函数的内部实现中，都关联了一把锁、一个锁计数器，以及持有该锁并打开一个流的线程。每个线程在执行任何I/O请求之前，必须首先获得锁而且持有该锁。两个或多个运行在同一个流上的线程不会交叉执行标准I/O操作，因此，在单个函数调用中，标准I/O操作是原子操作。

当然，在实际应用中，很多应用程序需要比独立函数调用级别更强的原子性。举个例子，假设一个进程中有多个线程发起写请求，由于标准I/O函数是线程安全的，各个写请求不会交叉执行导致输出混乱。也就是说，即使两个线程同时发起请求操作，加锁可以保证执行一个写请求后再执行另一个写请求。但是，如果进程连续发起很多写请求，希望不但不同线程的写请求不会交叉，同一线程的写请求也不会交叉，该怎么做呢？为了支持该功能，标准I/O提供了一系列函数，每个函数可以操纵和流关联的锁。