C_线程与并发

C — 线程与并发

线程是进程内的一个执行流，同一进程内的多个线程共享虚拟地址空间和文件描述符表，但各自拥有独立的寄存器和栈。

线程与进程的对比

维度	进程	线程
资源	独立虚拟地址空间、独立文件描述符表	共享地址空间和文件表
创建开销	大（复制页表、fork 等）	小（只分配栈和 task_struct）
上下文切换	需要切换页表（CR3）	不需要切换页表（更快）
隔离性	强（进程间不能直接访问对方内存）	弱（线程间可互相读写）
调度	内核以线程为单位调度	内核以线程为单位调度

Linux 实际上把线程实现为一种轻量级进程（LWP）：用 clone() 系统调用创建线程，通过不同标志位决定父进程的哪些资源被共享。

内核线程 vs 用户线程

类型	说明	调度者	代表
内核线程（1:1）	每个用户线程对应一个内核可见的调度实体	内核	Linux（NPTL）
用户线程（N:1）	多个用户线程映射到一个内核线程，在用户态自行调度	用户态库	GNU Pth（已过时）
混合（M:N）	多个用户线程映射到多个内核线程	协同	Go（goroutine）

Linux 默认采用 1:1 模型（通过 clone + futex 等系统调用实现），这也是所有主流编程语言线程的标准实现。

竞争条件（Race Condition）

多个线程同时访问共享数据，且至少有一个是写操作，最终结果取决于线程的执行顺序：

// 两个线程同时执行 counter++
// counter++ 不是原子操作！它被编译为三条汇编指令：
// mov eax, [counter] ; 1. 从内存读
// add eax, 1 ; 2. 加一
// mov [counter], eax ; 3. 写回内存
// 如果两线程交错执行这 3 条指令，最终 counter 可能只加了 1 而非 2

对容器的意义：多个线程同时操作 std::vector（一端 push_back 一端读取容量）或 std::map（同时插入两个节点）会破坏内部数据结构。即使单次操作的线程安全可能有保证（如 const 成员函数是读操作），但容器整体不是线程安全的。

原子操作

原子操作是不可分割的 CPU 指令，不会被其他线程打断。x86 提供 LOCK 前缀实现原子性：

#include <stdatomic.h> // C11 原子类型
atomic_int counter = 0;
atomic_fetch_add(&counter, 1); // 原子递增，编译为 lock xadd

操作	指令（x86）	说明
原子加	`lock xadd`	读-修改-写，保证原子性
CAS	`lock cmpxchg`	Compare-And-Swap，无锁数据结构的基础
内存屏障	`mfence` / `lfence` / `sfence`	保证访存顺序

CAS 是无锁数据结构（lock-free queue、lock-free stack、无锁哈希表）的核心原语。这类数据结构在多线程下不需要互斥锁，避免了锁的开销和死锁风险。

缓存一致性与多核

多核 CPU 各自有 L1/L2 缓存。当一个核修改了某条 cache line，另一个核读到旧数据就是数据不一致。CPU 通过缓存一致性协议（MESI）自动维护一致性：

状态	含义
Modified（修改）	该 cache line 在当前核被修改，其他核无效
Exclusive（独占）	仅当前核持有，数据与主存一致
Shared（共享）	多个核持有，均为只读
Invalid（无效）	cache line 不可用

两个核对同一条 cache line 做写入 → Modified → Shared 的 bounce → 频繁传递，性能下降。

对容器的意义：两个线程分别写 vector 中相邻的两个 int，它们在同一条 cache line 中。即使每个线程只写”自己的那一部分”，缓存一致性协议也会导致 cache line 在核间来回传递（伪共享）。

本章与其他模块的链接

缓存一致性导致的伪共享 → B_缓存层级 > 伪共享
原子操作与锁的关系 → E_同步与死锁
无锁数据结构 → 跳表 SkipList

RootStack

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