面试题：C语言getchar()和putchar()在多线程环境下的问题及解决方案

可能出现的问题

数据竞争：多个线程同时调用 getchar() 和 putchar() 时，由于这些函数通常会访问共享的输入输出缓冲区，可能会导致数据竞争。例如，一个线程可能在另一个线程还未完全处理完缓冲区数据时就对其进行修改，从而导致数据不一致。
缓冲区混乱：不同线程对输入输出缓冲区的交错访问可能导致缓冲区状态混乱。比如，输入缓冲区中的数据可能被错误地解析，输出缓冲区中的数据可能被不正确地组合输出。

解决方案

互斥锁（Mutex）：
- 使用互斥锁来保护对 getchar() 和 putchar() 的调用。在每个线程调用这些函数之前，先获取互斥锁，调用完成后释放互斥锁。
- 示例代码（以POSIX线程为例）：

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

pthread_mutex_t io_mutex;

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&io_mutex);
    char c = getchar();
    putchar(c);
    pthread_mutex_unlock(&io_mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_mutex_init(&io_mutex, NULL);
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&io_mutex);
    return 0;
}

信号量（Semaphore）：
- 可以使用二元信号量来达到类似互斥锁的效果，也可以使用计数信号量来控制同时访问输入输出函数的线程数量。
- 示例代码（以POSIX信号量为例，使用二元信号量模拟互斥锁）：

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

sem_t io_sem;

void* thread_function(void* arg) {
    sem_wait(&io_sem);
    char c = getchar();
    putchar(c);
    sem_post(&io_sem);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    sem_init(&io_sem, 0, 1);
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    sem_destroy(&io_sem);
    return 0;
}

条件变量（Condition Variable）：
- 如果需要线程之间基于某些条件进行同步访问输入输出，条件变量可以发挥作用。例如，当缓冲区达到一定状态（如缓冲区为空或满）时，通过条件变量通知相应线程进行操作。
- 示例代码（以POSIX条件变量为例，假设简单模拟输入缓冲区满时等待）：

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

pthread_mutex_t io_mutex;
pthread_cond_t io_cond;
int buffer_full = 0;

void* thread_function(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&io_mutex);
    while (buffer_full) {
        pthread_cond_wait(&io_cond, &io_mutex);
    }
    char c = getchar();
    putchar(c);
    // 假设这里设置缓冲区满的条件
    buffer_full = 1;
    pthread_cond_signal(&io_cond);
    pthread_mutex_unlock(&io_mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_mutex_init(&io_mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&io_cond, NULL);
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    pthread_cond_destroy(&io_cond);
    pthread_mutex_destroy(&io_mutex);
    return 0;
}

线程局部存储（TLS）：
- 如果每个线程都有自己独立的输入输出缓冲区，可以使用线程局部存储来避免共享缓冲区带来的问题。每个线程使用自己的缓冲区进行输入输出操作，然后再进行统一处理。
- 示例代码（以POSIX线程局部存储为例）：

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

__thread char local_buffer[1024];

void* thread_function(void* arg) {
    // 使用局部缓冲区进行输入输出
    char c = getchar();
    local_buffer[0] = c;
    putchar(local_buffer[0]);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

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