多线程情况下libc IO的缓存

1 libc的缓冲地位

如图，如果调用printf之类的库函数，数据会先进入库缓冲区，然后在一定条件下（满足库定义的条件或主动调用fflush），才会写入操作系统缓冲区。
如果直接调用write系统函数，就会直接写入操作系统缓冲区，所以在即使在单线程的情况下，如果混用printf和write，也可能会有“时序错乱”问题，即后面的语句先输出的问题。可以参看我之前一篇文章。

2 多线程下的printf

其实printf是否是线程安全（thread-safe）的，这要看具体的库实现，某些是，某些不是。
因为printf要使用到全局变量stdout，以及动态分配内存时要用到地址表，所以肯定不是可重入（reentrant）的，不可以在信号处理函数中调用printf。
GNU版本的glibc的实现是线程安全的，即每一次printf可以看做是原子的，但是多线程会产生交错，如果想同步，可以使用flockfile/funlockfile来锁定和解锁FILE*变量。[1]

3 一个实例

我写了如下代码：

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#define NUM_THREADS     5

void *PrintHello(void *threadid)
{
   long tid;
   char buf[64];
   tid = (long)threadid;
   // size_t len = snprintf( buf, sizeof(buf), "Hello World! It's me, thread #%ld!\n", tid );
   // write( fileno(stdout), buf, len );
   printf("Hello World! It's me, thread #%ld!\n", tid);
   pthread_exit(NULL);
}
int main (int argc, char *argv[])
{
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int rc;
   long t;
   for(t=0; t<NUM_THREADS; t++){
      printf("In main: creating thread %ld\n", t);
      rc = pthread_create(&threads[t], NULL, PrintHello, (void *)t);
      if (rc){
         printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d\n", rc);
         exit(-1);
      }
   }
   /* Last thing that main() should do */
   // pthread_exit(NULL);
   return 0;
}

因为在main中注释掉了pthread_exit，所以main返回时，其它线程也会结束。执行结果有以下两个情况比较诡异：

In main: creating thread 0
In main: creating thread 1
Hello World! It's me, thread #0!
In main: creating thread 2
Hello World! It's me, thread #1!
In main: creating thread 3
Hello World! It's me, thread #2!
In main: creating thread 4
Hello World! It's me, thread #3!
Hello World! It's me, thread #3!

In main: creating thread 0
In main: creating thread 1
Hello World! It's me, thread #0!
In main: creating thread 2
Hello World! It's me, thread #1!
In main: creating thread 3
Hello World! It's me, thread #2!
In main: creating thread 4
Hello World! It's me, thread #3!
Hello World! It's me, thread #4!
Hello World! It's me, thread #4!

一个是线程3打印了2次，一个是线程4打印了2次。
分析可能是如下原因：
一个printf流程可能是先把数据写入库缓冲区，然后更新缓冲区大小（增加）。在写入操作系统（调用write）后（时间点A），再次更新缓冲区大小（减少）。然而可能进程结束的时候，某一个线程执行到了时间点A就被强制结束了，所以库并没有意识到已经成功输出了，会在进程退出清理库空间的时候又一次输出。

4 结论

多线程下最好不要用printf，用snprintf和write会更好。

参考
[1] http://stackoverflow.com/questions/467938/stdout-thread-safe-in-c-on-linux