lazygophers/c-concurrency

C 并发编程规范

强制约定

1. 共享可变状态要么 _Atomic，要么用锁保护，不能"看起来安全"。
2. 默认 memory_order_seq_cst；只有明确分析过 happens-before 后才放宽。
3. 条件变量必须在 while (!pred) 循环中等待，防止虚假唤醒。
4. 锁的获取顺序在全局范围内保持一致，避免死锁。
5. 所有锁 / cond / rwlock 显式 destroy。
6. 信号处理器仅调用 async-signal-safe 函数（见 c-posix 中 POSIX.1 §2.4 列表），共享变量类型为 volatile sig_atomic_t 或 atomic_*。
7. 热点共享数据缓存行对齐（_Alignas(64)）以消除 false sharing。
8. 多线程代码必须在 TSan 下跑过。TSan 不能与 ASan / MSan 同跑。

C11 原子（<stdatomic.h>）

_Atomic int counter = 0;          // 关键字
atomic_int counter2 = 0;          // typedef 别名

atomic_store(&counter, 42);
int v = atomic_load(&counter);
int old = atomic_fetch_add(&counter, 1);

// CAS
int expected = 0;
while (!atomic_compare_exchange_weak(&counter, &expected, expected + 1)) { }

内存序速查

| order | 用途 | 备注 | |-------|-----|------| | relaxed | 纯计数器 / 统计 | 无 happens-before | | acquire | 读端（load） | 与同变量的 release 配对 | | release | 写端（store） | 发布数据 | | acq_rel | RMW | 同时具备两端语义 | | seq_cst | 默认 | 全序，无脑安全 |

经典 publish-subscribe：

atomic_store_explicit(&ready, 1, memory_order_release);   // 发布
if (atomic_load_explicit(&ready, memory_order_acquire))   // 读端
    consume(data);

C11 threads（<threads.h>）

int worker(void *arg) { /* ... */ return 0; }

thrd_t t;
if (thrd_create(&t, worker, &arg) != thrd_success) return -1;
int rc; thrd_join(t, &rc);

注：MSVC 仍未原生提供 <threads.h>；跨平台首选 pthread + _Atomic。

pthread 模板

pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t  c = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
bool ready = false;

// 生产者
pthread_mutex_lock(&m);
ready = true;
pthread_cond_signal(&c);          // 多消费者改用 broadcast
pthread_mutex_unlock(&m);

// 消费者
pthread_mutex_lock(&m);
while (!ready) pthread_cond_wait(&c, &m);   // while，不是 if
pthread_mutex_unlock(&m);

pthread_mutex_destroy(&m);
pthread_cond_destroy(&c);

读写锁：pthread_rwlock_rdlock / wrlock / unlock / destroy。

False sharing 消除

_Alignas(64) struct PerCpu {
    _Atomic uint64_t counter;
    char _pad[64 - sizeof(_Atomic uint64_t)];
};

ThreadSanitizer

gcc -std=c17 -fsanitize=thread -g -O1 prog.c -lpthread -o prog
./prog        # 自动报告 data race / lock-order-inversion / deadlock

TSan 开销 5–15×。CI 中跑全量测试用例可显著降低生产环境竞态风险。

Async-signal-safe 备忘

允许：write, _exit, sigaction, kill, read, sem_post（部分平台），原子 store/load。 禁止：malloc/free, printf/snprintf, pthread_mutex_*（除 pthread_kill 投递路径）。 信号 ↔ 主流程通信使用 volatile sig_atomic_t 或 atomic_int。

无锁数据结构提示

• 单生产者单消费者 (SPSC) 环：acquire/release 配对足够。
• 多生产者：CAS 重试时 expected 必须重新 load。
• ABA 风险：用 tagged pointer 或 hazard pointer / RCU。
• 优先复用 liburcu、folly、boost.lockfree 等成熟实现，自写需充分 stress test。

检查清单

• [ ] 共享可变数据用 _Atomic 或锁保护
• [ ] 条件变量在 while 循环中等待
• [ ] 内存序选择有理由（默认 seq_cst，放松需证明）
• [ ] 锁顺序一致
• [ ] 资源全部 destroy
• [ ] 热点变量缓存行对齐
• [ ] 信号处理器只调 async-signal-safe 函数
• [ ] TSan 零报告（CI 内置）

权威参考

• ISO/IEC 9899:2024 §7.17 atomics / §7.26 threads — https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg14/
• C++/C 内存模型（Preshing） — https://preshing.com/20120710/memory-barriers-are-like-source-control-operations/
• POSIX threads 标准 — https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/
• ThreadSanitizer — https://clang.llvm.org/docs/ThreadSanitizer.html
• liburcu — https://liburcu.org/