面试题：C语言NULL指针在多线程编程中的挑战与应对策略

NULL指针在C语言多线程编程中的挑战

线程安全问题：多个线程可能同时访问一个指向NULL的指针，导致未定义行为。例如，一个线程可能检查指针是否为NULL，然后在另一个线程将其设为NULL后，第一个线程尝试解引用该指针，从而引发程序崩溃。
竞争条件：当一个线程释放一个指针所指向的内存，并将指针设为NULL，而另一个线程正在检查该指针是否为NULL时，可能会出现竞争条件。如果第二个线程在第一个线程将指针设为NULL之前检查，就可能访问到已释放的内存。

结合pthread库应对挑战的代码设计

使用互斥锁

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int *ptr = NULL;

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (ptr == NULL) {
        ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
        if (ptr == NULL) {
            perror("malloc");
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            pthread_exit(NULL);
        }
        *ptr = 42;
    }
    printf("Thread: Value of ptr: %d\n", *ptr);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }
    if (pthread_join(thread, NULL) != 0) {
        perror("pthread_join");
        return 1;
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    if (ptr != NULL) {
        free(ptr);
    }
    return 0;
}

在这段代码中，互斥锁 mutex 用于保护对 ptr 的访问。在检查 ptr 是否为NULL以及分配内存的过程中，通过 pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock 来确保同一时间只有一个线程能操作 ptr。

双重检查锁定

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int *ptr = NULL;

void* thread_function(void* arg) {
    if (ptr == NULL) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ptr == NULL) {
            ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
            if (ptr == NULL) {
                perror("malloc");
                pthread_mutex_unlock(&mutex);
                pthread_exit(NULL);
            }
            *ptr = 42;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    printf("Thread: Value of ptr: %d\n", *ptr);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread;
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }
    if (pthread_join(thread, NULL) != 0) {
        perror("pthread_join");
        return 1;
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    if (ptr != NULL) {
        free(ptr);
    }
    return 0;
}

双重检查锁定机制在访问共享资源前，先进行一次快速的非锁定检查，然后再锁定互斥锁进行更详细的检查。这样可以减少不必要的锁竞争，提高性能。但要注意，在一些编译器优化的情况下，可能需要使用内存屏障来确保正确性。

使用读写锁

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

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
int *ptr = NULL;

void* read_thread_function(void* arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
    if (ptr != NULL) {
        printf("Read Thread: Value of ptr: %d\n", *ptr);
    } else {
        printf("Read Thread: ptr is NULL\n");
    }
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);
}

void* write_thread_function(void* arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    if (ptr == NULL) {
        ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
        if (ptr == NULL) {
            perror("malloc");
            pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
            pthread_exit(NULL);
        }
        *ptr = 42;
    }
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t read_thread, write_thread;
    if (pthread_create(&read_thread, NULL, read_thread_function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }
    if (pthread_create(&write_thread, NULL, write_thread_function, NULL) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }
    if (pthread_join(read_thread, NULL) != 0) {
        perror("pthread_join");
        return 1;
    }
    if (pthread_join(write_thread, NULL) != 0) {
        perror("pthread_join");
        return 1;
    }
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    if (ptr != NULL) {
        free(ptr);
    }
    return 0;
}

读写锁 pthread_rwlock 允许在多线程环境中区分读操作和写操作。读操作可以并发执行，而写操作需要独占访问。这在读取操作频繁而写入操作较少的场景下能提高性能，同时保证对 ptr 的安全访问。

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结合pthread库应对挑战的代码设计