48、线程安全：全局变量与静态变量的线程竞争

多线程编程里，全局变量和静态变量是最容易出问题的地方。

我见过太多人在这上面栽跟头了。说白了，就是多个线程同时读写同一块内存，结果数据乱掉了。

问题本质：共享资源的非原子操作

先看一个典型例子：

// 全局计数器
int counter = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        counter++;  // 这行有问题！
    }
    return NULL;
}

两个线程同时跑这个函数。你猜最终 counter 是多少？

不是 200000。可能只有 120000 左右。为什么？

counter++ 看起来是一条语句，但 CPU 执行时是三步：

1. 从内存读 counter 到寄存器
2. 寄存器加 1
3. 写回内存

两个线程可能同时读到同一个值，比如 100。各自加 1，再写回 101。本该加 2 的，结果只加了 1。这就是经典的「读-改-写」竞争。

静态变量同样危险

很多人以为函数内部的 static 变量是安全的。其实不然。

int get_next_id() {
    static int id = 0;
    return id++;  // 同样有竞争！
}

这个函数被多个线程调用时，返回的 ID 可能重复。我在项目中遇到过类似问题——一个日志系统用静态变量生成序列号，结果线上日志出现了重复 ID，排查了好久才发现是这里的问题。

常见保护手段

方法	适用场景	注意事项
互斥锁 (mutex)	通用场景	注意死锁，锁粒度要小
读写锁 (rwlock)	读多写少	写操作会阻塞所有读
原子操作	简单计数器、标志位	只能处理简单类型
线程局部存储 (TLS)	每个线程独立的数据	不能跨线程共享

用互斥锁的正确姿势

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int counter = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

嗯，这里要注意：锁的粒度。如果循环里每次都加锁解锁，性能会下降很多。我习惯的做法是：

void* thread_func(void* arg) {
    int local_count = 0;
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        local_count++;  // 先算本地
    }
    pthread_mutex_lock(&lock);
    counter += local_count;  // 一次性合并
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

这样锁只加一次，性能好得多。

原子操作：轻量级方案

C11 标准提供了原子类型。如果你的编译器支持，可以用：

#include <stdatomic.h>

atomic_int counter = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        atomic_fetch_add(&counter, 1);
    }
    return NULL;
}

原子操作比锁轻量，但只能处理简单的加减、比较交换等操作。复杂逻辑还是得用锁。

静态变量的另一种陷阱：初始化竞争

C++ 里有个坑：函数内静态变量的初始化不是线程安全的（C++11 之前）。

// 多个线程第一次调用时可能出问题
Config* get_config() {
    static Config* cfg = new Config();  // 初始化有竞争！
    return cfg;
}

C 语言里没有构造函数的问题，但静态变量的初始化同样要注意。我建议：

• 在 main 函数开始前，单线程完成所有静态变量的初始化
• 或者用 pthread_once 确保只初始化一次

避坑指南

知识体系图

总结

全局变量和静态变量的线程竞争，说白了就是「多个线程同时动同一块内存」。解决思路就两条：要么不让它们同时动（加锁），要么让操作变成原子的。

我个人习惯是：能不用全局变量就不用。实在要用，就加锁保护。静态变量也一样——别因为它藏在函数里就觉得安全。

记住一句话：共享可变状态是万恶之源。减少共享，你的代码就会安全很多。